INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
GOIÁS
ÁREA DEPARTAMENTO IV
CURSO: BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
AVALIAÇÃO DE MICROFONES DE BAIXO CUSTO EM PROJETO
DE CONTROLE ATIVO DE RUÍDO EM DUTOS
LUCAS VIEIRA DIAS SOUSA
PEDRO HENRIQUE RAMOS DE LIMA
Eider Lúcio de Oliveira– Orientador
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS CAMPUS GOIÂNIA
DEPARTAMENTO DE ÁREAS ACADÊMICAS IV COORDENAÇÃO DE MECÂNICA
AVALIAÇÃO DE MICROFONES DE BAIXO CUSTO EM PROJETO DE CONTROLE ATIVO DE RUÍDO EM DUTOS
LUCAS VIEIRA DIAS SOUSA PEDRO HENRIQUE RAMOS DE LIMA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUBMETIDO AO DEPARTAMENTO IV, COORDENAÇÃO DE MECÂNICA DO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA OBTENÇÃO DA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA. APROVADO POR:
______________________________________ EIDER LÚCIO DE OLIVEIRA, Doutor, IFG (ORIENTADOR)
______________________________________ JOSÉ LUIZ OLIVEIRA PENA, Doutor, IFG (EXAMINADOR INTERNO)
______________________________________
MARLIPE GARCIA FAGUNDES NETO, Mestre, UFG (EXAMINADOR EXTERNO)
CESSÃO DE DIREITOS NOME DOS AUTORES:
Lucas Vieira Dias Sousa
Pedro Henrique Ramos de Lima
AVALIAÇÃO DE MICROFONES DE BAIXO CUSTO EM PROJETO DE CONTROLE ATIVO DE RUÍDO EM DUTOS
GRADUADO/2015
É concedida ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás permissão para reproduzir cópias deste Trabalho de Conclusão de Curso e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. Os autores reservam outros direitos de publicação e nenhuma parte deste trabalho pode ser reproduzida sem a autorização por escrito dos autores.
______________________________________ Lucas Vieira Dias Sousa
Rua Mário Caiado n°311
74423-600 – Goiânia/GO – Brasil
______________________________________ Pedro Henrique Ramos de Lima
Rua 138 Qd. 18 Lt 45, Jd. Tropical 74946-450 – Goiânia/GO – Brasil
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus que nos proporcionou a realização de mais esse ideal e por sempre nos dar a oportunidade de alcançar, desfrutar e vivenciar experiências que Ele nos dá.
Aos nossos familiares pelo apoio, pela dedicação, incentivo, motivação e suporte, pois escutaram nossas queixas e sempre acreditaram em nós.
Ao Instituto Federal de Goiás e à coordenação de Engenharia Mecânica que nos possibilitou e nos deu toda a capacitação e ensino para o nosso crescimento acadêmico e profissional.
Agradecemos ao nosso orientador, Prof. Dr. Eider Lúcio de Oliveira que acreditando em nosso trabalho sempre nos deu a solene oportunidade de participar de seus estudos e pesquisas, nos incentivando a alcançar e subir novos degraus na escada da vida.
Aos demais professores do curso de Engenharia Mecânica, em destaque o Prof. Dr. José Luiz Oliveira Pena que nos deu suporte e nos iluminou em muitas dúvidas ao longo de todo o curso.
E agradecemos aos nossos colegas de curso que de forma recíproca nos ajudaram e sempre contribuíram tornando o curso mais agradável com suas amizades.
LIMA, P. H. R.; SOUSA, L. V. D. AVALIAÇÃO DE MICROFONES DE BAIXO
CUSTO EM PROJETO DE CONTROLE ATIVO DE RUÍDO EM DUTOS. 2015.
100 f. Trabalho de Conclusão de curso. Instituto Federal de Goiás. Goiânia.
RESUMO
Um dos fatores mais importantes que se discute hoje em todas as áreas de pesquisa é sobre viabilidade econômica e possibilidades de minimizar gastos. E isso não é diferente para o Controle Ativo de Ruído (CAR) em dutos. Gastos menores no projeto se justificam quando é mantida a eficiência de aquisição da filtragem do controle e dos resultados. Este trabalho tem como principal objetivo comparar o desempenho dos microfones de baixo custo com os microfones de precisão, quando aplicados a um sistema acústico de controle na configuração feedforward. Neste sistema faz-se uso de uma placa de controle com Processador Digital de Sinais (DSP) com o intuito de avaliar a influencia dos microfones no comportamento do controle de um sistema acústico em tempo real. Para validar o desempenho dos sensores, montou-se uma bancada experimental com um duto de PVC e alto-falantes como fonte de ruído e atuador. Os microfones são os sensores de erro e de referência. O desempenho do sistema é obtido através de um medidor de pressão sonora atuando na saída do duto.
LIMA, P. H. R.; SOUSA, L. V. D. EVALUATION OF LOW COST MICROPHONES
IN PROJECTS OF ACTIVE NOISE CONTROL IN DUCT. 2015. 100 f. Trabalho de
Conclusão de curso. Instituto Federal de Goiás. Goiânia.
ABSTRACT
One of the most important factors discussed today in all areas of research, is on economic feasibility and possibilities to minimize expenses. And this is no different for Active Noise Control (CAR) in ducts. The cheaper acquisition of equipment and the components assembly is better, provided you keep the same efficiency of acquisition, filtering, control and attenuation. This study aims to compare the performance of low cost microphones with precision microphones, when applied to the acoustic control system in feedforward configuration. This system makes use of a control board with Digital Signal Processor (DSP) in order to identify, analyze and compare systems of acoustic control in real time. To validate the performance of the sensors, was set up an experimental bench with a PVC duct and speakers as noise source and actuator. Microphones are the error and reference sensors. The system performance is obtained by a sound pressure meter acting on the outlet duct .
Sumário
CAPITULO I ... 1 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 CONTROLEDERUÍDO ... 2 1.2 OBJETIVOS ... 4 1.2.1 OBJETIVO GERAL ... 4 1.2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 4 CAPITULO II ... 52 TÉCNICAS DE CONTROLE DE RUÍDO ATIVO... 5
2.1 CONTROLEATIVODERUÍDO(CAR) ... 5
2.1.1 CONTROLE FEEDFORWARD ... 5
2.1.2 CONTROLE FEEDBACK ... 7
2.1.3 SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE RUÍDO HÍBRIDO ... 7
2.2 ALGORITMOSDEFILTRAGEMADAPTATIVA ... 8
2.2.1 SISTEMA DE CONTROLE ... 9
2.3 APLICAÇÕESDOCONTROLEATIVODERUÍDO ... 18
CAPÍTULO III ... 20
3 MICROFONES ... 20
3.1 PRINCIPAISCARACTERÍSTICASDEUMMICROFONE ... 21
3.1.1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ... 21 3.1.2 FAIXA DINÂMICA ... 21 3.1.3 SENSIBILIDADE ... 22 3.1.4 DIRETIVIDADE ... 23 3.1.5 VIDA ÚTIL ... 24 3.1.6 CAMPOS SONOROS... 25 3.2 TIPOSDEMICROFONES ... 30
3.2.1 PRINCÍPIORESISTÊNCIADECONTATOVARIADO ... 30
3.2.3 PRINCÍPIOPIEZELÉTRICO ... 33
3.2.4 PRINCÍPIOELETROSTÁTICO ... 33
CAPÍTULO IV ... 38
4 PROJETO DO DUTO ... 38
4.1 ELABORAÇÃODOPROJETO ... 38
4.2 CARACTERÍSTICASACÚSTICASDODUTO ... 39
4.3 SIMULAÇÃO ... 39
4.3.1 EQUAÇÃO DA ONDA ... 40
4.3.2 CONSTRUÇÃO DO MODELO E RESULTADOS ... 42
CAPÍTULO V ... 47
5 INSTRUMENTAÇÃO E ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS ... 47
5.1 PROCESSADORDIGITALDESINAIS ... 47
5.2 TMS320C6713DSPSTARTERKIT(DSK) ... 51 5.3 ESPECIFICAÇÃOTÉCNICA ... 52 5.3.1 ALTO-FALANTES ... 52 5.3.2 MICROFONES... 53 5.3.3 PLACA DSP ... 55 5.3.4 PRÉ-AMPLIFICADOR ... 56 5.3.5 AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA ... 56 5.3.6 CAIXA DE SOM ... 56
5.3.7 MEDIDOR DE PRESSÃO SONORA ... 56
CAPITULO VI ... 57
6 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS ... 57
6.1 PROCEDIMENTOEXPERIMENTALI ... 57
6.1.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MICROFONES NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA ... 57
6.1.2 RESULTADOS... 60
6.2 PROCEDIMENTOEXPERIMENTALII ... 63
6.2.2 RESULTADOS... 67
CAPITULO VII ... 70
7 CONCLUSÕES E PROPOSTAS FUTURAS ... 70
7.1 CONCLUSÃO ... 70
7.2 SUGESTÕESPARATRABALHOSFUTUROS ... 71
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 72
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Soma de ondas sonoras que resulta no cancelamento de ambos. ... 3
Figura 2.1 - Diagrama de um controlador feedforward. ... 6
Figura 2.2 - Diagrama de um controlador feedback. ... 7
Figura 2.3 - Diagrama de um sistema híbrido de CAR. ... 8
Figura 2.4 – Sistema controlador ativo de ruído (Feedforward). ... 10
Figura 2.5 – Sistema de controle ativo na configuração de identificação do controlador acústico. ... 11
Figura 2.6 – Diagrama de blocos para estimativa do caminho secundário (OLIVEIRA, 2012). ... 14
Figura 2.7 – Diagrama de blocos do sistema CAR incluindo função de transferência S(z). ... 16
Figura 2.8 – Diagrama de blocos do sistema CAR usando o algoritmo FxLMS. ... 17
Figura 3.1 – Curva resposta em frequência do microfone Bruel & Kjaer tipo 4957. (Especificações do microfone Bruel & Kjaer tipo 4957) ... 21
Figura 3.2 - Características direcionais para um microfone de ½” normalizado para incidência de 0° (BRUEL, 1996). ... 23
Figura 3.3 - Diretividade dos microfones: a) omnidirecional, b) bidirecional, c) cardioides, d) supercardioide, e) hipercardioide. ... 24
Figura 3.4 - Alteração no campo sonoro causado pelo microfone (BRUEL, 1996). ... 27
Figura 3.5 - Resposta em campo livre, com incidência de 0° (BISTAFA, 2011). ... 28
Figura 3.6 - Curva resposta em frequência (BRUEL, 1996). ... 29
Figura 3.7 - Curvas de correção para microfones em campo livre (BISTAFA, 2011). ... 29
Figura 3.8 - Microfone de carbono (BISTAFA, 2011). ... 30
Figura 3.9 - Microfone dinâmico (BISTAFA, 2011). ... 31
Figura 3.10 - Microfone de fita (BISTAFA, 2011). ... 32
Figura 3.11 - Microfone piezelétrico (BISTAFA, 2011)... 33
Figura 3.12 - Microfone de eletreto (BISTAFA, 2011). ... 34
Figura 3.13 - Polarização do microfone de eletreto... 35
Figura 3.14 - Microfone condensador (BISTAFA, 2011). ... 35
Figura 3.16 - Vista explodida de um microfone condensador (BISTAFA, 2011). ... 37
Figura 4.1 – Vista isométrica 3D. ... 38
Figura 4.2 – Vista do duto com posição dos componentes e especificação das cotas... 39
Figura 4.3 – Detalhe malhado da simulação em 3D. ... 43
Figura 4.4 – Simulação de duto com excitação harmônica de 310,4 Hz, com resultado em Pascal (Pa), apresentando modos de ondas planas. ... 45
Figura 4.5 – Simulação de duto com excitação harmônica de 1300 Hz, com resultado em Pascal (Pa), apresentando modos de alta ordem. ... 45
Figura 4.6 – Isolinhas com excitação harmônica de 1300 Hz, com resultado em Pascal (Pa), apresentando modos de alta ordem. ... Erro! Indicador não definido. Figura 5.1 – Sistema DSK TMS320C6713: (a) placa e (b) diagrama de blocos (SPECTRUM DIGITAL INCORPORATED, 2003). ... 51
Figura 5.2 - Alto-falante padrão, montado para implantação no duto. ... 53
Figura 5.3 - Microfone da PCB PIEZOTRONICS utilizado como microfone de referência. ... 53
Figura 5.4 - Microfone da JAMECO ELECTRONICS utilizado como microfone de erro. 54 Figura 5.5 - Microfone da SAMSON utilizado como microfone de erro. ... 54
Figura 5.6 - Microfone da BRÜEL & KJÆR utilizado como microfone de erro. ... 55
Figura 6.1 - Diagrama de blocos do sistema para a caracterização dos microfones. ... 58
Figura 6.2 - Posicionamento do microfone. ... 59
Figura 6.3 - Componentes do caminho secundário. ... 63
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Princípios de operação para cada tipo de microfone. ... 20 Tabela 4.1 – Características do ar. ... 43 Tabela 5.1 – Preço de mercado dos microfones. ... 55 Tabela 6.1 - Apresentação dos valores dos NPS (dB) utilizando a pressão sonora de referência . ... 62 Tabela 6.2 - Atenuação do NPS global... 69
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 6.1 - Valores dos NPS para os microfones em estudo utilizando a pressão sonora
de referência . ... 61
Gráfico 6.2 - Curva com os valores dos NPS para os microfones em estudo ... 61
Gráfico 6.3 - Pseudo-ruído branco no domínio da frequência. ... 64
Gráfico 6.4 - Validação do decibelímetro em 94 dB. ... 66
Gráfico 6.5 - Validação do decibelímetro em 114 dB. ... 66
Gráfico 6.6 - Comparação do NPS utilizando o microfone PCB. ... 67
Gráfico 6.7 - Comparação do NPS utilizando o microfone Bruel & Kjaer. ... 68
Gráfico 6.8 - Comparação do NPS utilizando o microfone Samson. ... 68
Gráfico 6.9 - Comparação do NPS utilizando o microfone de eletreto. ... 69
LISTA DE ABREVIAÇÕES
2D: Duas dimensões. 3D: Três dimensões.
A/D: Analógico/Digital (conversor). ANC: Active Noise Control.
CAR: Controle Ativo de Ruído. CCS: Code Composer Studio.
CODEC: COdificador – DECodificador. D/A: Digital/Analógico (conversor).
DSP: Digital Signal Processing ou Digital Signal Processor. DSK: DSP Starter Kit.
EMIF: External Memory Interface. FIR: Finite Impulse Response. FFT: Fast Fourier Transform.
FxLMS: Filtered-x Least Mean Squares. HPI: Host Port Interface.
IIR: Infinite Impulse Response. LMS: Least Mean Square. LED: Light-Emitting Diode. LCD: Liquid Crystal Display. MAC: Modal Assurance Criterion.
McBSP: Multichannel Buffered Serial Port. NR: Norma Regulamentadoras.
NPS: Nível de Pressão Sonora. PDS: Processador Digitais de Sinais. PVC: Polyvinyl Chloride.
RPM: Rotações Por Minuto. USB: Universal Serial Bus.
LISTA DE SÍMBOLOS
A/D: Analógico Digital.
c: Velocidade de propagação da onda acústica no ar (m/s). d: Sinal (ruído) de saída da planta P.
dB: Decibel.
dB(A): Decibel com filtro ponderador A. D/A: Digital Analógico.
d(n): Sinal discreto de saída da planta. e(n): Sinal discreto de erro.
e’(n): Erro de ajuste.
fc: Frequência de corte (Hz). f: Frequência (Hz).
F(z): Função de transferência discreta de realimentação acústica. i: Parte imaginária de um número complexo.
M: Número de coeficientes do filtro S(z). N: Número de coeficientes do filtro W(z).
: Pressão sonora.
: Pressão sonora de referência
P(z): Representação da função transferência da planta primária. r(n): Saída do filtro adaptativo do caminho primário.
S(z): Representação da planta secundária. ̂ : Estimativa da planta secundária. t: tempo (s).
W(z): Coeficientes do filtro adaptativo. y(n): Sinal discreto de controle.
: Sinal discreto de controle filtrado. x(n): Sinal discreto de referência.
: Sinal de referência filtrado. Z: Impedância acústica.
z: Operador da transformada z.
Lista de Símbolos Gregos
: Operador da variável de Laplace. : Comprimento de onda.
: Operador gradiente. : Densidade
: Passo de adaptação do filtro W(z). : Passo de adaptação de ̂ .
: Potência média do sinal de entrada x(n). (n): Ruído branco discreto.
CAPITULO I
1
INTRODUÇÃO
Uma das principais formas de comunicação utilizadas pelo ser humano é a comunicação sonora, mas especificamente, a fala. Ela é utilizada como forma de transmitir informação entre o emissor (fonte) e o ouvinte (receptor). A transmissão desta informação é feita por meio de ondas mecânicas que se propagam no ar, emitidas por uma fonte, que gera uma sensação no sistema auditivo humano definida como som.
O sistema auditivo humano atua também como um dispositivo de defesa identificando sons que possam estar presentes em alguma situação de perigo, alertando o indivíduo. Este sistema é capaz de reconhecer frequências sonoras que variam de 20 Hz a 20 kHz, especificada como faixa audível. Frequências inferiores a estas faixas são denominadas com infrassom, e superiores a 20 kHz como ultrassom.
O som produzido de uma fonte pode ser provocado por forças de impacto, irradiação sonora estrutural, ou por fluidos em movimento. “Forças que produzem impactos são particularmente eficazes na geração de ruído, por provocar oscilações numa ampla faixa de frequência dos componentes envolvidos” (BISTAFA, 2006). A maioria das máquinas que trabalham em regime cíclico provocarão uma excitação contínua dos componentes mecânicos. “Como consequência, todo componente estrutural da máquina irá vibrar. Ao se considerar o somatório das áreas de todos os componentes envolvidos, percebe-se que a máquina se comporta como um grande alto-falante...” (BISTAFA, 2006). Este é o caso da irradiação sonora. O ruído também pode ser produzido pela movimentação dos fluídos, que podem estar tanto no estado líquido ou gasoso. Segundo Bistafa (2006), um fluido, movimentando-se em altas velocidades, quando liberado em outro fluido parado ou se movimentando a uma velocidade menor, sempre produzirá deformação neste último, que cede devido à maior energia daquele com maior velocidade. Quanto maior for a diferença de velocidades entre eles, maior será o nível de ruído.
O som está presente em praticamente todas as atividades realizadas pelo ser humano. Escutar uma música, ouvir o noticiário, falar ao telefone são alguns exemplos
onde se pode identificar a importância do som no dia-a-dia. Há também sons que são indesejáveis e desagradáveis ao receptor, que não trazem informação relevante e podem provocar efeitos nocivos ao sistema auditivo. Estes são identificados como ruído. Da mesma forma que os sons agradáveis estão presentes, os ruídos também estão, e dependendo do ambiente e dos níveis de exposição a esses sinais o ouvinte pode sofrer sérios prejuízos. Como consequência desta exposição prolongada pode ocorrer problemas fisiológicos e psicológicos no ouvinte, como por exemplo: perda da audição, perda de concentração, stress, elevação da pressão, insônia, entre outros.
Segundo a NR 15 que define as atividades e operações insalubres, um trabalhador pode ser exposto a ruídos de no máximo 85 dB(A) durante um período de 8 horas diárias. Pela norma, à medida que a intensidade do ruído aumenta, o tempo de exposição deve diminuir.
Entendendo que a exposição prolongada ao ruído causa danosas consequências ao sistema auditivo do receptor, existem técnicas que podem ser aplicadas no controle de ruído reduzindo consideravelmente os níveis sonoros, proporcionando conforto audível ao receptor.
1.1 CONTROLE DE RUÍDO
A aplicação do controle de ruído envolve conhecimentos em várias áreas da engenharia, pois em cada caso analisado deve-se levar em consideração “aspectos econômicos, operacionais, legais, médicos, psicológicos e culturais” (BISTAFA, 2006), sempre visando o bem-estar das pessoas que ocupam o local. “Na solução do problema de ruído deve-se considerar todas as soluções viáveis e analisar para cada solução o custo/benefício. O ponto de equilíbrio significa um balanço entre custo de redução de ruído e benefícios financeiros através da eliminação das possíveis ilegalidades” (GERGES, 2000).
O controle de ruído atua na redução dos Níveis de Pressão Sonora (NPS). Este controle pode ser feito em três formas: controle de ruído na fonte sonora, controle de ruído na trajetória, e controle de ruído no receptor.
Em ambientes industriais, onde se tem elevados índices de NPS, as principais fontes de ruído estão relacionadas às máquinas ali presentes. Nesses ambientes, o método de controle mais eficaz, segundo Bistafa (2006), consiste em controlar o ruído na fonte.
Quando os equipamentos ruidosos já estão instalados normalmente é usado o controle do ruído na trajetória entre fonte e receptor. E caso o controle na trajetória seja insuficiente ou inviável, adota-se como última alternativa o controle de ruído no receptor.
O controle de ruído, é dividido em dois ramos, são eles: controle passivo de ruído e controle ativo de ruído (CAR).
O controle passivo consiste em impedir a propagação da onda mecânica, de forma que se possa absorver, refletir e atenuar a energia da onda no meio em que se encontra. Geralmente este método é mais aplicado para a atenuação em médias e altas frequências.
O Controle Ativo de Ruído (CAR) ou Active Noise Control (ANC) é um sistema que envolve conceitos acústicos, componentes e eletrônica. Baseia-se na geração de um sinal, “antirruído”, de igual amplitude e fase oposta, que sobreposto ao som primário (som indesejado), resulta na atenuação ou cancelamento de ambos. Segundo Delfino (2005), o desempenho do cancelamento do ruído primário depende da precisão em amplitude e fase do antirruído gerado. Na Figura 1.1 tem-se a superposição de duas ondas sonoras, que resulta em uma soma de valor nulo ou atenuado.
Figura 1.1 - Soma de ondas sonoras que resulta no cancelamento de ambos.
O surgimento deste tipo de controle se deu inicialmente com a proposta patenteada por Paul Lueg, na Alemanha em 1936 (LUEG, 1936). Em 1972, Jessel e outros (KUO et al., 1996) descobriram problemas referentes a redução de ruído em dutos. As reflexões do ruído ofereciam realimentação acústica, tendendo a desestabilizar os controladores, sabendo-se que os microfones de referência não conseguiam diferenciar os componentes refletidos do ruído primário. Levando o sistema à uma baixa atenuação em algumas bandas de frequência ou à instabilidade.
A partir daí, até os dias de hoje, os desenvolvimentos e avanços da eletrônica, de controle, da acústica, de vibrações, das técnicas de processamento de sinais e no entendimento dos princípios e mecanismos físicos envolvidos em um sistema de controle ativo, estão ocorrendo constantemente.
A grande eficácia e motivos da utilização do sistema CAR está no fato de atuar com grande eficiência em baixas frequências e por possuir um volume de instalação reduzido, podendo ter diversas aplicações e até compor juntamente com a técnica passiva, soluções híbridas de controle (RIYANTO, 2007).
1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo geral
Ajustar um sistema de controle ativo de ruído instalado em duto de PVC e realizar a comparação dos resultados obtidos ao se utilizar os microfones de precisão e microfones de baixo custo quando aplicados no controle deste sistema.
1.2.2 Objetivo específico
Almejando suprir todas as necessidades teóricas e experimentais, são objetivos específicos:
Estudar os conceitos de acústica e os trabalhos recentes referentes ao controle de ruídos;
Estudar e realizar experimentos com os componentes de um sistema de controle ativo de ruído: microfones, alto-falantes, amplificadores de potência e pré-amplificadores para microfones;
Estudar as técnicas de projeto de filtro ativo usando computador e Processador Digital de Sinais (DSP);
Estudar técnicas de filtragem adaptativa;
Construir um duto para a execução experimental deste trabalho;
Realizar medições e comparar os resultados obtidos para o controle desenvolvido utilizando como sensores os microfones de precisão e os microfones de baixo custo.
CAPITULO II
2
TÉCNICAS DE CONTROLE DE RUÍDO ATIVO
O CAR interliga vários setores da engenharia. A comunicação destes vários tipos de conhecimentos proporciona o desenvolvimento e aplicação de métodos de controle cada vez mais avançados.
Este capítulo aborda os tipos de CAR já existentes enfatizando o método feedforward que é o tipo de controle utilizado neste trabalho. Além disso, são apresentados os algoritmos LMS e FxLMS que são fundamentais para o seu bom desempenho. Algumas formas de aplicação são descritas no final deste capítulo.
2.1 CONTROLE ATIVO DE RUÍDO (CAR)
Os controladores ativos de ruído se dividem em dois grandes grupos: os controladores feedforward e os controladores feedback. O primeiro grupo cancela tanto ruídos de banda estreita (ruídos periódicos) como ruídos de banda larga (ruídos aleatórios) e o segundo grupo é mais eficiente para ruídos periódicos (MINGUEZ, 1998). Outro fator importante é que no controle feedforward, o ruído de referência é sentido antes de se propagar através do alto falante de cancelamento. No controle feedback, o controlador cancela o ruído sem nenhum benefício da informação anterior da entrada de referência (WIDROW et al., 1985).
2.1.1 Controle feedforward
Uma quantidade considerável de ruído de banda larga é produzida em dutos, tais como os gerados por sistemas de ventilação e exaustão. Um simples esquema de sistema de controle feedforward que atua em banda larga pode ser visto na Figura 2.1.
Figura 2.1 - Diagrama de um controlador feedforward.
Nesta configuração o sensor de referência capta o sinal indesejado em um ponto anterior a fonte de controle e então alimenta um controlador para se obter o cancelamento do ruído em um ponto posterior. Em outras palavras, um sinal de referência é medido por um microfone próximo à fonte de ruído antes que este passe pelo atuador. O controlador digital utiliza o sinal de referência para gerar um sinal de igual amplitude e fase oposta de 180°, ao sinal incidente. O sinal de antirruído é utilizado para guiar o alto-falante para produzir um som de cancelamento que atenue o ruído acústico primário no duto.
O princípio básico do sistema de controle feedforward é que o atraso de propagação da onda sonora, entre o microfone de referência e o alto-falante, ofereça tempo suficiente de se calcular o controle e ativar o antirruído, causando, assim, o cancelamento. De forma que, a distância entre o microfone de referência e o alto-falante de cancelamento satisfaça o princípio da causalidade.
O controlador feedforward tem a principal meta de se antecipar ao fenômeno físico, de forma preditiva, através das informações captadas pelo sensor de referência, de modo que o ruído esteja cancelado quando passar pelo sensor de erro.
O resíduo, ou seja, o sinal de erro, medido pelo microfone de erro, é basicamente utilizado como um índice de performance para adaptação dos coeficientes do filtro controlador.
2.1.2 Controle feedback
Um sistema de controle feedback utiliza apenas um microfone para funcionar como sensor de erro e detectar o ruído indesejado. O sinal de erro é realimentado para um filtro adaptativo, com resposta em magnitude e fase tais que, produzam o cancelamento do ruído pela atuação de um alto-falante, localizado próximo ao microfone. Essa configuração oferece uma atenuação limitada sobre uma restrita banda de frequência, para ruídos periódicos ou de banda estreita (DELFINO, 2005). A Figura 2.2 tem-se o esquema de sistema de controle feedback.
Figura 2.2 - Diagrama de um controlador feedback.
Este sistema de controle feedback é muito aplicado ao cancelamento do som em fones de ouvido e protetores auriculares (BRANDOLT, 2006). Esse sistema tem por objetivo reduzir a pressão acústica na cavidade próxima ao ouvido, pois uma pequena variação de pressão acústica é suficiente para produzir um ruído desconfortável (aproximadamente 0,1 milibar). Por outro lado, a sensibilidade do ouvido é tal que, uma variação de pressão de 2.10-5 [Pa] pode ser detectada, caso a frequência de oscilação esteja na faixa mais sensível de audição, que se situa na escala de 1kHz a 4kHz (GERGES, 2000). Há alguns anos esse aparato tem sido produzido e utilizado por operários, em alguns processos industriais.
2.1.3 Sistema de controle ativo de ruído híbrido
É a combinação das estruturas feedback e feedforward (SWASON,1973). Os sistemas feedforward usam dois sensores: o de referência e o de erro. O sensor de referência mede o ruído primário para ser cancelado enquanto que o sensor de erro
monitora o desempenho do CAR. Então, o sistema de controle adaptativo feedback, que utilizam apenas um sensor de referência, gera o sinal de controle. A Figura 2.3 ilustra esse tipo de sistema.
Figura 2.3 - Diagrama de um sistema híbrido de CAR.
Como se pode ver a configuração do CAR feedforward atenua o ruído primário que é correlacionado com o sinal de referência, enquanto, o CAR feedback cancela os componentes deste ruído que não são observados pelo sensor de referência. Segundo Kuo & Morgan (1996), as vantagens destes sistemas híbridos em relação aos sistemas convencionais é que podem ser utilizados filtros de baixa ordem e ainda assim obter-se excelente desempenho.
A seguir apresentar-se-á uma revisão bibliográfica de alguns algoritmos usados no campo de controle ativo de ruído, para uma configuração feedforward. Serão destacados de forma geral os desenvolvimentos, as aplicações, como também algumas limitações dos algoritmos utilizados para a elaboração deste projeto, bem como demonstrar conceitos e diagramas deste tipo de sistema de controle.
2.2 ALGORITMOS DE FILTRAGEM ADAPTATIVA
Os controladores ativos de ruído normalmente se constituem dos seguintes elementos: sensores, atuadores, planta e controlador. E o termo “ativo” é usado para
destoar essa técnica do controle clássico ou passivo, em que o ruído é absorvido ou refletido por materiais passivos. Os dispositivos que compõem um sistema de controle passivo têm a característica de não fornecer energia ao sistema, (OLIVEIRA, 2012).
Os sensores e atuadores são administrados através de uma unidade eletrônica (controlador), projetada para o cancelamento do ruído não desejado na planta, que se baseia no princípio da superposição de ondas. Consiste basicamente em gerar um antirruído de mesma amplitude e de fase oposta ao ruído não desejado, de forma que provoque o cancelamento do sinal ruidoso em um determinado ponto ou região de interesse (NELSON et al., 1987 e 1992; HANSEN, 1997).
Embora conceitualmente simples, diversas são as dificuldades a serem vencidas quando se instala este tipo de controlador. Significativas variações nas condições ambientais e a não linearidade dos atuadores e sensores podem dificultar e até mesmo comprometer a eficiência do controlador, pois introduzem perturbações indesejadas no sistema, (KUO et al., 1999) e alteram as funções de transferência dos algoritmos.
Na tentativa de neutralizar estas perturbações e alterações, os pesquisadores desenvolvem os controladores automaticamente adaptáveis. Estes, por sua vez, são filtros adaptativos inseridos nos processadores digitais de sinais (PDS) que promovem, através dos ajustes dos seus coeficientes, redução do ruído no sistema, (GOODWIN et al., 1984; CLARKSON, 1993). Para estes procedimentos os filtros normalmente utilizados são do tipo resposta ao impulso finito (Finite Impulse Response – FIR) e resposta ao impulso infinito (Infinite Impulse Response – IIR) e o mecanismo normalmente utilizado no ajuste dos coeficientes dos filtros são versões variantes do LMS (Least Mean Square) clássico.
O controle ativo de ruído atingiu um estágio de desenvolvimento tal que sistemas comerciais já estão disponíveis em aplicações práticas importantes, (QIU et al, 2014).
2.2.1 Sistema de Controle
Em sistemas de exaustão e ventilação uma grande gama de ruídos de banda larga é produzida nos seus dutos. Tais sistemas são avaliados pela construção de sistemas semelhantes em laboratórios compostos comumente por uma fonte de ruído (gerador de ruídos), um sensor de referência (microfone), um atuador (alto-falante), um sensor de erro (microfone) e uma eletrônica de controle. Na Figura 2.4 define-se cada componente de um sistema CAR e os sistemas acústicos envolvidos.
Figura 2.4 – Sistema controlador ativo de ruído (Feedforward).
Onde x(n) corresponde ao sinal de referência do controlador, o y(n) é o sinal de saída do controlador, e(n) o sinal de erro, P(z) a função de transferência entre a fonte de ruído e o microfone de erro (caminho primário), S(z) é a função de transferência entre o atuador e o microfone de erro (caminho secundário) e F(z) é a função de transferência entre o atuador e o microfone de referência (caminho de realimentação ou feedback).
Como se pode ver nesta configuração, o microfone de referência capta o sinal indesejado em um ponto posterior a fonte de ruído, e gera x(n), antes que este sinal passe pelo atuador. Esse sinal x(n) é processado pelo controlador CAR, que por sua vez, gera um sinal de controle y(n), de igual amplitude e fase oposta 180°, para o atuador. Onde o sinal y(n), de antirruído, é utilizado pelo atuador para produzir um som de cancelamento que atenue o ruído acústico primário no duto. O microfone de erro gera um sinal e(n) utilizado para monitorar o desempenho do controlador.
O princípio básico de um sistema de controle CAR identificado na Figura 2.4, é descrito pelo diagrama de blocos representativo ilustrado na Figura 2.5.
Figura 2.5 – Sistema de controle ativo na configuração de identificação do controlador acústico.
Tem-se que d(n) é o sinal do microfone de erro advindo diretamente da fonte de ruído (ruído primário), passando o caminho primário.
Como se vê o filtro digital adaptativo W(z) é de fato o mecanismo do domínio elétrico usado para o controle geral do sistema, pois sua função é estimar a planta desconhecida P(z) (caminho primário) e o seu objetivo é reduzir o sinal do erro residual e(n). Porém, para isso, este filtro adaptativo deve primeiramente ser ajustado pelo algoritmo (LMS).
O controlador promove a estimativa de P(z). O que se espera de fato é que o filtro digital W(z) convirja para P(z). Pode-se concluir que a saída do filtro digital adaptativo y(n) tem a mesma amplitude e é defasada 180° em relação ao sinal do ruído primário d(n). E como se pode ver na Figura 2.5, o sinal do erro residual e(n) é determinado pelo somatório do sinal d(n) com o sinal y(n), sendo assim:
(2.1)
Essa combinação acústica torna o erro residual e(n) nulo. Por fim, como resultado, alcança-se um perfeito cancelamento do ruído baseado no princípio da superposição de ondas.
Sabe-se que na acústica não zeramos o ruído por completo, apenas trazemos para um nível aceitável. Logo é impossível reduzir este erro em 100%. Porém, é possível se obter valores deste erro no sistema de controle capazes de atenuar o nível de pressão
sonora em dB de 20, 30, 40, ... , quando comparados com o nível de pressão sonora do sistema sem a ação do controlador.
2.2.1.1 Algoritmo Adaptativo LMS
Segundo Delfino (2005), a maioria dos algoritmos adaptativos busca os coeficientes ótimos através do método do gradiente descendente (Gradient Descent) ou método da máxima descida (Stepest Descent) segundo a direção oposta do gradiente da superfície do erro. Quando esta superfície corresponde ao erro quadrático instantâneo e se utiliza um filtro FIR, o algoritmo em questão se denomina LMS (Least Mean Square) que é uma implementação estocástica do método da máxima descida, ou seja, seu estado é indeterminado e possui origem em eventos aleatórios. Este algoritmo é utilizado pela sua eficiência e simplicidade.
O algoritmo LMS os coeficientes do filtro adaptativo são atualizados pela Equação 2.2, (DELFINO, 2005):
Observa-se que os principais requisitos exigidos pela Equação 2.2, são o vetor de entrada x(n - i), o sinal de erro e(n) e o passo de adaptação do algoritmo , que pode ser um valor constante ou adaptativo. Sendo a escolha do último o ponto crucial para a convergência dos coeficientes desta mesma equação, pois a estabilidade do LMS é garantida se o passo se encontrar dentro da faixa estabelecida pela Equação 2.3 (WIDROW, B.; STEARNS, S. D., 1985), onde M é o número de coeficientes do filtro adaptativo e é a potência média do sinal de entrada.
(2.2)
É importante destacar que o sinal positivo da Eq. 2.2 decorre do sinal erro de um sistema CAR ser e(n) = d(n) + y(n), porque existe uma fase de 180° entre eles, resultado da superposição (adição) acústica ao invés da subtração elétrica ou numérica.
2.2.1.2 Estimativa do caminho secundário S(z)
Sabe-se que S(z) possui características desconhecidas, devido as não linearidades dos sensores e atuadores, alterações de temperatura e turbulências de fluxo de gás neste caminho. Todas essas mudanças podem comprometer a performance do sistema adaptativo. Porém é imprescindível se obter a resposta impulsiva do caminho secundário S(z), antes da aplicação do algoritmo FxLMS (AKHTAR; ABE; KAWAMATA, 2005).
Mesmo assim, é possível estima-lo através da modelagem off-line de sua resposta impulsiva por um estágio de treinamento, ou seja, por um procedimento anterior a execução do sistema CAR, para se evitar problemas de instabilidade. No final deste procedimento é possível utilizar o caminho estimado ̂ no controle ativo de ruído.
Esta estimativa inicia-se a partir do momento que um algoritmo gera um ruído pseudoaleatório. Este algoritmo gera digitalmente um ruído branco que precisa obter cada uma de suas amostras de forma aleatória, mas com potência média (variância) constante. É possível obter esse tipo de sinal usando apenas dois níveis simétricos e apresentar a sequência de amostras de forma aleatória.
A seguir é apresentado o algoritmo usado para programar a geração de um ruído branco:
1. Inicialização das variáveis;
2. Se o bit ZERO da variável var_noise é UM a. Então a var_out recebe + noiselevel; b. Senão a var_out recebe - noiselevel;
3. A variável feedback recebe resultado da operação EX-OR entre os bits ZERO, UM, ONZE e TREZE;
4. Realizar o deslocamento de um bit para a esquerda na variável var_noise; 5. Colocar o bit resultante da operação realizada no ponto 2 no bit ZERO da variável var_noise;
O ruído branco possui uma densidade espectral constante na faixa de frequência a ser estudada e devido a isso, este sinal é normalmente utilizado como sinal de entrada para se estimar S(z).
Segundo Oliveira (2012), a estimativa off-line do caminho secundário nada mais é que a identificação de um sistema desconhecido utilizando o algoritmo LMS com o sinal de entrada do tipo ruído branco. Abaixo será mostrado na Figura 2.6 o diagrama de blocos com os elementos que compõem o caminho secundário e os blocos necessários para a estimativa.
Figura 2.6 – Diagrama de blocos para estimativa do caminho secundário (OLIVEIRA, 2012).
Em muitas aplicações industriais não se pode desligar a fonte de ruído primário, logo a estimativa do caminho secundário deve ser feita com a fonte operando, por este motivo a fonte de ruído principal está na Figura 2.6, como se pode ver.
Por fim, tem-se passo a passo o algoritmo LMS para modelagem off-line do caminho secundário:
1. Inicialização:
Coeficientes: ̂ , N+1 coeficientes
2. Gerar uma amostra do ruído branco (n). Este ruído gerado internamente é utilizado como referência para o filtro adaptativo ̂ e na adaptação de seus coeficientes.
3. Obtenção da amostra do sinal de erro e(n). 4. Cálculo da saída do filtro adaptativo:
5. C
álculo do erro de ajuste:
6. Atualização dos coeficientes:
7. Faça e volte ao ponto 2. ∑ ̂
(2.4)
(2.5)
̂ ̂ (2.6)
2.2.1.3 Efeitos do caminho secundário S(z) no sistema de controle
Como visto na Figura 2.5, o somador representa o ambiente acústico onde o ruído da fonte primária d(n) é combinado com o antirruído y(n). Porém, o caminho secundário S(z) (Figura 2.4), definido como o caminho entre o atuador e o sensor de erro, pode modificar este antirruído y(n), através da modelagem deste caminho por uma função de transferência que correlaciona o sinal de saída do controle y(n) com o sinal de erro e(n). Essa função de transferência, além de incorporar o caminho acústico propriamente dito, incorpora os conversores D/A, os amplificadores de potência, os alto-falantes, os microfones, os filtros “antialiasing” e os conversores A/D, (LING, 2007). Pode-se visualizar na Figura 2.7 o diagrama de blocos deste sistema.
Figura 2.7 – Diagrama de blocos do sistema CAR incluindo função de transferência S(z). Deste modo é necessário que se faça uma compensação para S(z) (MORGAN, 1980 apud DELFINO, 2005). Na Figura 2.7 pode-se ver que os blocos W(z) e S(z) estão dispostos em cascata. Segundo a teoria de sistemas lineares as posições destes blocos podem ser comutadas, obtendo-se então a mesma saída devido a mesma entrada. Considerando que W(z) apresente convergência para valores ótimos, assume-se que o erro residual é ideal, ou seja, é nulo. Deste modo a função W(z) deve diretamente modelar o caminho primário P(z) e inversamente o caminho secundário S(z). A grande vantagem desta forma de aproximação é que qualquer alteração efetuada nas fontes de ruído, que geram mudanças do sinal de entrada, poderá ser instantaneamente respondida pelo sistema apropriadamente modelado. Porém, toda a performance do sistema CAR se torna altamente dependente do caminho secundário.
2.2.1.4 Algoritmo de controle FxLMS
A introdução da função de transferência S(z) no caminho secundário do controlador causa, no algoritmo LMS (Least Mean Square) de ajustes dos coeficientes do filtro W(z), instabilidade no sistema de controle (ELLIOTT et al., 1985 apud CÁRDENAS, 2005).
O algoritmo FxLMS (Filtered-x Least Mean Square), foi desenvolvido por WIDROW (1981) no contexto de controle adaptativo e BURGESS (1981) aplicou ao controle ativo de ruído. Este algoritmo foi criado para minimizar os efeitos do caminho secundário S(z) e garantir a convergência do processo, a entrada para o algoritmo de adaptação deve ser filtrada pela estimativa do caminho secundário Ŝ(z). Observe o diagrama da Figura 2.8.
Figura 2.8 – Diagrama de blocos do sistema CAR usando o algoritmo FxLMS. Além dos outros componentes e coeficientes já citados têm-se a presença de ̂ , que é a estimativa da função de transferência entre o atuador e o microfone de erro.
O algoritmo FxLMS passo a passo é apresentado a seguir: 1. Inicialização:
Coeficientes: , M+1 coeficientes Potência:
Parâmetro α
2. Leitura de x(n) e e(n).
3. Cálculo da saída do filtro FIR:
4. Cálculo da entrada filtrada:
Os coeficientes ̂ foram estimados off-line. 5. Estimação da potência de : ∑ (2.7) ∑ ̂ (2.8) Controlador CAR
6. Cálculo do passo de adaptação:
7. Atualização dos coeficientes:
8. Faça e volte ao ponto 2.
(2.9)
(2.10)
̂ (2.11)
É importante observar que para atualizar os coeficientes, segundo a Equação 2.11, deve-se conhecer a resposta ao impulso do caminho secundário. Assim, na Equação 2.11 substitui-se por ̂ , visto que esse último é o que está disponível através dos procedimentos de estimação do caminho secundário (HAYKIN, 2002).
Neste algoritmo, o passo máximo de adaptação não deve ser dado apenas pela potência do sinal de entrada e o número de coeficientes do filtro adaptativo, conforme a Equação 2.3, mas deve-se considerar o atraso em amostras do caminho secundário (ELLIOTT et al, 1987). Este atraso pode ser dado pelo número de coeficientes do filtro FIR utilizado para estimar S(z), levando à nova Equação dada em 2.10.
2.3 APLICAÇÕES DO CONTROLE ATIVO DE RUÍDO
Os sistemas CAR estão sendo constantemente aperfeiçoados e implantados em aplicações comerciais nas mais diversas áreas. A mais famosa é o fone de ouvido que utiliza o controle ativo e passivo (revestimento de plástico reforçado na casca). Os primeiros fones de ouvido com controle ativo reproduziam apenas o antirruído, ou seja, eram apenas protetores auriculares, no caso de ocupações específicas como motorista de ambulância. Mais para outras aplicações, como piloto de helicóptero, era necessário que o fone reproduzisse sinais de voz além do antirruído. Tais fones de ouvido são projetados para reduzir o ruído externo e ainda gerar com excelência o sinal desejado pelo usuário. Nessa aplicação, sistemas ativos costumam apresentar atenuações na faixa de 10-15dB para frequências de até 500Hz (KUO e MORGAN, 1999).
Outra aplicação que comumente utiliza o CAR é no controle de ondas planas que se propagam em dutos, principalmente por sua viabilidade. Ocorre que uma referência do ruído é extraída, através de um microfone de referência próximo à fonte primária, no caso de duto de ventilação forçada, e alto-falantes de controle e sensores de erro são posicionados próximos a saída do duto o qual se deseja atenuar.
O CAR também é utilizado para controle de ruído em ambientes fechados. Existem sistemas com apenas uma fonte de controle, que produzem atenuações que chegam até 15 dB em uma região específica de salas. Mais utilizado para redução do nível de ruído em cabines de avião e carros de passeio. Para estas aplicações, faz-se necessário o uso de soluções, multicanais, que requerem algoritmos de controle mais eficientes (KUO e MORGAN, 1999).
Aplica-se também para transformadores de potência, embora até hoje não se alcançou uma atenuação adequada em todas as direções do transformador. Consegue-se apenas atenuações de alguns dB em direções especifica. Mesmo apresentando característica espectral ideal para o uso de sistema de controle ativo, tem-se o problema de posicionamento dos sensores de erro no campo distante do transformador, pois muitas das vezes estes estão próximo a muros ou parede corta-fogo.
CAPÍTULO III
3
MICROFONES
Os microfones são componentes fundamentais para identificação do ruído. Por se tratarem de um transdutor eletroacústico são eles os responsáveis em transformar o efeito da pressão da onda sonora em sinais elétricos. Isso possibilita a manipulação e tratamento destes sinais através de componentes eletrônicos, podendo assim, amplificar, filtrar e armazenar estes sinais.
Existem vários tipos de microfones, com diferentes princípios de operação. Os princípios existentes são: resistência de contato variado, eletrodinâmico, piezelétrico e eletrostático. Dentro de cada princípio de operação existe pelo menos um tipo microfone, como se pode ver na tabela 3.1. Porém todos os microfones se baseiam na conversão de uma onda mecânica em um sinal elétrico proporcional a esta.
Tabela 3.1 - Princípios de operação para cada tipo de microfone.
PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO TIPOS DE MICROFONE
Resistência de Contato Variado Microfone de Carbono
Eletrodinâmico Microfone Dinâmico
Microfone de Fita
Piezelétrico Microfone Piezelétrico
Eletrostático Microfone Condensador
Microfone de Eletreto
Cada microfone apresenta certas características que os fazem específicos para determinados tipos de aplicação. Segundo Gerges (2000), estas características são: curva de resposta em frequência, faixa dinâmica, diretividade e sensibilidade. Todas elas serão apresentadas nos tópicos abaixo, seguidos da caracterização dos principais tipos de microfones existentes no mercado.
3.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE UM MICROFONE 3.1.1 Resposta em frequência
Devido a fatores construtivos e de projeto os microfones apresentam respostas diferentes, no domínio da frequência, dependendo da característica do ruído. A resposta em frequência depende muito do tipo do campo sonoro para o qual o microfone foi projetado e do ângulo de incidência da onda sonora. A partir deles os fabricantes definem qual será a compensação necessária para obter uma resposta em frequência plana, o mais linear possível, ao longo toda a faixa de frequência. Essas respostas são apresentadas em gráficos semelhantes aos da Figura 3.1, onde se tem um exemplo de uma curva reposta em frequência plana.
Figura 3.1 – Curva resposta em frequência do microfone Bruel & Kjaer tipo 4957. (Especificações do microfone Bruel & Kjaer tipo 4957)
Quanto mais plano for este tipo de curva mais proporcional e fiel à onda sonora será o sinal gerado pelo microfone. Microfones que não apresentam estas características gerarão sinais elétricos não proporcionais ao sinal original, pois haverá perdas e ganhos em determinadas frequências capitadas que descaracterizarão o sinal gerado frente ao original. Por isso é importante conhecer essa característica dos microfones utilizados em medições acústicas.
As curvas de resposta em frequência dos microfones utilizados neste trabalho serão apresentadas no capítulo destinado a caracterização dos materiais e métodos.
3.1.2 Faixa dinâmica
A faixa dinâmica é definida como a faixa entre o menor e o maior NPS mensurável pelo microfone.
O menor valor mensurável por um microfone é definido como o menor valor que o microfone capta sem sofrer interferências dos ruídos produzidos pelo sistema de captação de sinal, ou seja, o NPS captado deve ser suficiente para suprimir possíveis ruídos gerado pelos componentes eletrônicos e mecânicos presentes no microfone e em seu pré-amplificador.
Já o máximo valor medido por um microfone é limitado pelo deslocamento máximo do diafragma. Visando a conservação do microfone, o recomendado pelo fabricante Bruel & Kjaer (1996) é que o microfone não seja exposto a NPS que excedam o NPS máximo. Porém, caso o microfone seja exposto a valores de 10 dB acima do NPS máximo e esteja utilizando o pré-amplificador adequado, o microfone não sofrerá danos permanentes, evitando que a descarga elétrica danifique o diafragma.
Geralmente nas especificações dos microfones do tipo condensador, o maior NPS trabalhado é equivalente a 40% e 50% da tensão máxima de polarização. Acima disto a saída começa a sofrer distorção.
3.1.3 Sensibilidade
A sensibilidade de um microfone de medição pode ser expressa em Volts por Pascal (V/Pa) ou por decibel referindo-se a um Volt por Pascal (1 dB equivale 1 ). O termo sensibilidade geralmente se expressa à sensibilidade em relação a uma frequência de referência, que é frequentemente adotada com 250 Hz, mas em alguns casos pode-se adotar 1000 Hz. A magnitude da reposta em frequência característica de um microfone representa a razão entre a sensibilidade obtida em uma dada frequência com a frequência de referência. Esta razão geralmente é expressa em dB.
Microfones do tipo condensador geralmente tem a sensibilidade entre e por Pascal. Quando projetado e selecionado um microfone para certa aplicação, o NPS esperado e a tensão de saída do microfone devem ser levados em consideração. A sensibilidade não deve ser maior que o sinal de saída do microfone para se evitar sobrecarga, e nem deve ser tão baixo para que não seja excedido pelos ruídos gerado pelo pré-amplificador.
A sensibilidade por ser utilizada para ranquear com as suas respectivas habilidades de medir altos ou baixos níveis de pressão sonora. Os microfones com alta sensibilidade
são adequados para medições de baixos índices do NPS, porém os microfones com baixa sensibilidade são indicados para medições onde o NPS é maior.
3.1.4 Diretividade
A característica direcional de um microfone está ligada à variação de sensibilidade devido a variação do ângulo de incidência da onda sonora. Esta informação é mostrada em gráficos semelhantes aos apresentados na Figura 3.2. A princípio, as informações apresentadas nesse tipo de gráfico são obtidas através das curvas de correção em campo livre, à diferença está na forma de apresentação, pois neste tipo de gráficos se tem em uma só imagem as correções para todos os tipos de ângulos de incidência.
A característica direcional é importante para microfones utilizados em medições em campo livre.
Figura 3.2 - Características direcionais para um microfone de ½” normalizado para incidência de 0° (BRUEL, 1996).
Os microfones podem ser classificados como: omnidirecional, bidirecional, cardioide, supercardioide, hipercardioide e shotgun.
Figura 3.3 - Diretividade dos microfones: a) omnidirecional, b) bidirecional, c) cardioides, d) supercardioide, e) hipercardioide.
Omnidirecional: são microfones capazes de captar o som em todas as direções sem haver perdas de sensibilidade devido a direção de incidência da onda sonora;
Bidirecional: são microfones capazes de captar o som igualmente em apenas duas direções (0° e 180°), uma oposta a outra. Há perca de sensibilidade nas demais direções;
Cardioide: são microfones que captam sons com maior eficiência quando apontados para direção da fonte sonora. Possuem maior alcance se comparado com os microfones omnidirecionais;
Supercardioide e Hipercardioide: são microfones capazes de captar sons à frente e a traz do mesmo, conseguindo manter a eficiência da captação direcional do microfone cardioide com a capacidade de captação de som na parte posterior do microfone (com sensibilidade reduzida), aumentando o ganho do som, sem que ocorra microfonia;
Shotgun: são microfones com a sensibilidade focada em apenas uma direção.
3.1.5 Vida útil
A vida útil informa o tempo que o microfone leva para sofrer alterações significativas em suas propriedades sem perda da qualidade durante a sua realização. Geralmente, ao se manusear adequadamente os microfones de medição sonora estes não
sofrem alterações significativas em sua composição mantendo assim as suas características próximas dos originais de fábrica. É uma característica muito importante de um microfone, pois distingue um microfone de medição acústica de outros tipos de medição.
A vida útil se modifica quando a sensibilidade do microfone é alterada por causa de agentes externos. Efeitos mecânicos, como por exemplo, o seu manuseio inadequado e a ocorrência de quedas do microfone sobre superfícies rígidas, ou em situações em que ocorra uma aplicação de força sobre o diafragma, são situações em que podem provocar alterações estruturais que comprometam as propriedades do microfone. Nos microfones de eletreto, é comum ocorrer à variação da carga do eletreto durante a vida útil do microfone provocando alteração nas características originais do microfone. A influência de ambientes agressivos ao microfone, como por exemplo, agentes químicos e altas temperatura influenciam a perca de sensibilidade do componente capacitivo. Todos estes fatores já citados são capazes de alterar a sensibilidade do microfone, consequentemente há perda da qualidade durante das medições, isso indica que o microfone perdeu as suas características originais, ou seja, reduziu-se a sua vida útil.
A perda de sensibilidade devido ao tempo de vida do microfone é insignificante quando comparado com a perda de sensibilidade causada por choques mecânicos ou por efeitos térmicos, pois em ambiente controlado, segundo Bruel & Kjaer (1996), como o de um laboratório, a sensibilidade cai 1 dB por 1000 anos. Para correção das características do microfone e prolongamento da sua vida útil é recomendado realizar a sua calibração nos intervalos definidos pelo fabricante.
3.1.6 Campos sonoros
Quando o microfone é posicionado em um ambiente com um determinado campo sonoro para realizar uma medição acústica certamente interferirá no campo e alterará a pressão sonora. Esta carga precisa ser levada em consideração, caso contrário levará a um erro de medição. Dependendo do tipo de campo, esta interferência pode ser desprezível. Contudo, há situações que erros de medições podem prejudicar todo o trabalho realizado. A influência do microfone depende principalmente da sua dimensão e do campo sonoro.
Os microfones são projetados para diversas aplicações dependendo do tipo do campo sonoro a ser medido, portanto a escolha correta para dada aplicação é fundamental para o sucesso das medições. Os microfones podem ser classificados a partir do campo
sonoro em que atuam, são eles: microfone de incidência aleatória, microfone de campo livre e microfone de pressão.
3.1.6.1 Microfones de campo aleatório
O campo aleatório ocorre em ambientes, geralmente fechados, que tem características reverberantes de forma que há a incidência aleatória da onda sonora no ponto de medição.
“Este tipo de microfone deve ter característica de diretividade o mais unidirecional possível” (GERGES, 2000). Isso evita a interferência de outras ondas sonoras no sinal da onda captada, assim, efeitos como eco e microfonia são minimizados.
3.1.6.2 Microfones de pressão
O campo de pressão é caracterizado por ambientes onde a pressão sonora tem a mesma magnitude e fase em toda posição dentro do campo. Este tipo de campo pode ser encontrado em ambientes enclausurados ou em orifícios onde o seu tamanho é pequeno comparado com o comprimento da onda.
O microfone próprio para o campo de pressão “É projetado para responder na direção tangencial da membrana. Este tipo de microfone tem resposta plana em frequência incluindo o efeito de sua presença no campo. O microfone de pressão deve ser orientado em um ângulo de 90° com a direção de propagação da onda” (GERGES, 2000).
3.1.6.3 Microfones de campo livre
O campo livre ocorre onde uma onda sonora se propaga em certa direção sem sofrer distúrbios ou interferências de reflexão devido à presença de obstáculos. Contudo, ao medir a pressão sonora em campo livre, o microfone interfere e alterará o campo sonoro com a difração e reflexão da onda sonora, conforme Figura 3.4. Como resultado, a pressão atuante no diafragma do microfone será alterada e a medição no ponto será deturpada se comparada com a pressão real. O desvio pode causar erros de medição, a menos que ocorra uma correção.
Figura 3.4 - Alteração no campo sonoro causado pelo microfone (BRUEL, 1996). A relação entre a pressão no diafragma e o som sem perturbação é uma função proporcional entre o diâmetro do microfone e o comprimento de onda. A alteração do campo está relacionada com o tipo de microfone. Segundo Gerges (2000), quanto menor o diâmetro do microfone menor é a sua sensibilidade, mais larga é a sua faixa de frequência e menos diretivo ele vem a ser. Por outro lado os microfones maiores são mais sensíveis, mais direcionais e operam dentro de uma faixa de frequência menor. A Figura 3.5 mostra a faixa de frequência para microfones de diferentes diâmetros onde incidência sonora de 0º microfone (0 grau de inclinação) para diferentes tamanhos de microfones.
Figura 3.5 - Resposta em campo livre, com incidência de 0° (BISTAFA, 2011). A influência do microfone na medição em campo livre é tão grande que deve que a sua presença deve ser levada em consideração para que não ocorram erros consideráveis nas medições. A correção da influência do microfone no campo sonoro pode ser feita no pós-processamento da medição sonora, mas a compensação pode também ser construída no próprio microfone.
Como se pode ver na Figura 3.6, que será citada como exemplo, a reposta em frequência do microfone começa a cair após 4 kHz (curva inferior do gráfico), isto significa que o microfone perde sensibilidade na medida que a frequência aumenta acima de 4 kHz. Porém, quando o microfone é posicionado a uma inclinação de 0º em relação a onda sonora, a sua curva de resposta em frequência deve ser corrigida com auxílio da curva de correção (curva superior). O resultado é a superposição das duas curvas (curva central), assim, o aumento da correção para o ângulo de incidência compensa a perda da sensibilidade do microfone acima de 4 kHz. Uma observação a ser feita é que embora os casos de correção citados neste tópico sejam apenas para a incidência a 0°, existem correções para vários ângulos incidência da onda sobre o microfone como se pode ver na Figura 3.7, que determina a correção a ser aplicada inclusive para casos onde não se pode estimar o ângulo de incidência.
Figura 3.6 - Curva resposta em frequência (BRUEL, 1996).
Figura 3.7 - Curvas de correção para microfones em campo livre (BISTAFA, 2011). Resumindo, a resposta do microfone se comporta da seguinte maneira, se o microfone está sujeito a uma pressão sonora constante em qualquer frequência a tensão gerada pelo microfone também será constante, se existir uma variação da pressão, esta variação de pressão é detectada e o mecanismo de transdução do microfone gera uma tensão elétrica correspondente à pressão, caso a onda sonora incidente contiver frequências em que o microfone perde sua sensibilidade, este sinal passa por uma compensação no pré-amplificador para que a sua curva de resposta seja plana.
3.2 TIPOS DE MICROFONES
3.2.1 PRINCÍPIO RESISTÊNCIA DE CONTATO VARIADO 3.2.1.1 Microfone de carbono
Este tipo de microfone barato e robusto foi bastante utilizado nos primórdios dos telefones e dos rádios de comunicação, porém está em desuso devido a sua baixa qualidade e alta geração de ruído elétrico. A Figura 3.8 ilustra um modelo de microfone de carbono.
Figura 3.8 - Microfone de carbono (BISTAFA, 2011).
O seu princípio de funcionamento consiste em “ondas sonoras incidentes que movimentam o diafragma, bem como o pistão solidário a ele. O pistão, por sua vez, comprime e descomprime grãos de carbono contidos numa câmara. As duas placas laterais da câmara conectam-se aos terminais elétricos de uma bateria. Quando a pressão sonora se encontra em seu ciclo positivo, o diafragma é forçado para dentro, comprimindo os grãos de carbono, com a redução da resistência e aumento da corrente elétrica. Quando a pressão sonora está no seu ciclo negativo, o diafragma se move para fora, descomprimindo os grãos de carbono, com o aumento da resistência e redução da corrente elétrica” (BISTAFA, 2011). Ocorre, portanto, uma variação da resistência elétrica dos grãos de carbono à medida que o diafragma desloca o pistão comprimindo e descomprimindo os grãos, isto gera uma variação da corrente elétrica com as características proporcionais a da onda sonora incidente.
Com o tempo, a constante compactação e descompactação dos grãos de carbono fazem com que este tipo de microfone perca as suas propriedades resistivas originais, provocando perda de qualidade no sinal gerado.
3.2.2 PRINCÍPIO ELETRODINÂMICO
São microfones que operam segunda uma das leis de Faraday. Quando ocorre a intersecção dos planos do campo magnético do imã com um condutor (bobina), gera-se uma corrente elétrica que flui através do mesmo se este for incluído num circuito em que a corrente pode circular.
3.2.2.1 Microfone dinâmico
Os microfones dinâmicos, Figura 3.9, são os microfones mais comuns no mercado devido a sua simplicidade de fabricação, aliada com o baixo custo de produção, robustez, baixa distorção, além de captarem uma ampla faixa dinâmica (faixa de níveis sonoros) e de resposta em frequência. Devido a isso são utilizados nos setores de telefonia, radiocomunicação e em estúdios de gravação. Porém possuem um inconveniente, a sua sensibilidade varia mais que nos outros microfones.
Figura 3.9 - Microfone dinâmico (BISTAFA, 2011).
Este tipo de microfone se assemelha muito com um alto-falante, porém o seu funcionamento é exatamente o contrário a de um alto-falante. O microfone dinâmico o diafragma trabalha em conjunto com a bobina. O diafragma é deslocado devido à variação da pressão incidente no microfone, e transfere este movimento para a bobina,
deslocando-a. Este movimento induz, no fio da bobina, uma força eletromotriz (tensão). A tensão induzida é um sinal elétrico proporcional à onda sonora captada pelo microfone. Esse tipo de microfone não necessita de alimentação externa para operar.
Os microfones dinâmicos são sensíveis a variação da velocidade, pois a tensão induzida é proporcional à velocidade com que a bobina se movimenta.
3.2.2.2 Microfone de fita
Microfones de fita (ribbon microphone), Figura 3.10, são muito utilizados em estúdios de gravação por conseguirem reproduzir os sons com mais realidade, pois conseguem boas respostas a transientes durante a sua aplicação. Suas desvantagens são: fragilidade, baixa sensibilidade, sensibilidade a corrente de vento e enfatizam baixas frequências. Por isso, não se recomenda utiliza-lo em ambientes ao ar livre, a menos que esteja protegido.
Figura 3.10 - Microfone de fita (BISTAFA, 2011).
O princípio de funcionamento deste microfone é basicamente igual ao microfone do tipo dinâmico. “A diferença é que, no lugar da bobina, há uma fita corrugada de alumínio. Esta oscila no interior do campo magnético quando incide uma onda sonora, induzindo tensão nos terminais elétricos do microfone. Esse microfone também é sensível à velocidade” (BISTAFA, 2011).
3.2.3 PRINCÍPIO PIEZELÉTRICO 3.2.3.1 Microfone piezelétrico
Os microfones piezelétricos, Figura 3.11, são pouco sensíveis a variações normais de temperatura e umidade, porém são mais sensíveis a vibrações devido às características deste material. Se comparados aos microfones dinâmicos e de condensador, o microfone piezelétrico tem uma faixa de resposta em frequência menor.
Figura 3.11 - Microfone piezelétrico (BISTAFA, 2011).
“Os cristais que apresentam o efeito piezelétrico geram tensões elétricas quando deformados. O microfone piezelétrico utiliza uma lâmina de material piezelétrico acoplada ao diafragma, não necessitando de bateria. As duas faces da lâmina adquirem naturalmente cargas elétricas de sinais opostos quando o cristal se deforma por ação do diafragma. As cargas elétricas adquiridas são proporcionais à magnitude da deformação e desaparecem quando a lâmina não está deformada” (BISTAFA, 2011). Os materiais utilizados neste tipo de microfone são materiais cerâmicos, a base de bário-titânio e chumbo-zircônio.
3.2.4 PRINCÍPIO ELETROSTÁTICO
Os microfones que operam pelo princípio eletrostático, operam através da variação da variação das cargas eletrostáticas nos terminais do capacitor em repouso. A variação o espaço entre as placas alterará as cargas, ocasionando uma diferença de potencial nos terminais do microfone.
