Revoluția monitorizării zgomotului: Inovarea terminalului NMT cu microfoane MEMS la costuri reduse
Articolul dezvăluie și analizează un caz exemplar de terminale de monitorizare a zgomotului (NMT-uri) echipate cu microfoane MEMS care se încadrează în clasa 1 conform standardului IEC 61672-1.
Progresele rapide în tehnologia microfoanelor MEMS (Sisteme Micro-Electro-Mecanice) în ultimii zece ani au deschis calea utilizării lor în instrumente de măsurare a zgomotului conforme cu specificația IEC 61672-1.În trecut, acum cincisprezece ani, microfoanele MEMS disponibile prezentau o gamă dinamică limitată de doar 60 dB. În contrast, microfoanele MEMS moderne pot oferi acum o gamă dinamică de până la 100 dB.
Această expansiune considerabilă a gamei dinamice a microfoanelor MEMS, alături de o repetabilitate îmbunătățită și de stabilitate pe termen lung, a deschis drumul către dezvoltarea de terminale de monitorizare a zgomotului cu costuri reduse. Un exemplu notabil este NMT-ul (Svantek SV 307A), care oferă un domeniu de măsurare liniar între 30 dBA Leq și 128 dBA Peak, fiind ideal pentru aplicațiile de monitorizare a zgomotului urban.Costul redus al microfoanelor MEMS a facilitat apariția de modele inovatoare pentru terminalele de monitorizare a zgomotului, dotate cu caracteristici precum aranjamente cu mai multe microfoane pentru verificarea dinamică a sistemului.
Progresele rapide în tehnologia microfoanelor MEMS (Sisteme Micro-Electro-Mecanice) în ultimii zece ani au deschis calea utilizării lor în instrumente de măsurare a zgomotului conforme cu specificația IEC 61672-1.În trecut, acum cincisprezece ani, microfoanele MEMS disponibile prezentau o gamă dinamică limitată de doar 60 dB. În contrast, microfoanele MEMS moderne pot oferi acum o gamă dinamică de până la 100 dB.
Această expansiune considerabilă a gamei dinamice a microfoanelor MEMS, alături de o repetabilitate îmbunătățită și de stabilitate pe termen lung, a deschis drumul către dezvoltarea de terminale de monitorizare a zgomotului cu costuri reduse. Un exemplu notabil este NMT-ul (Svantek SV 307A), care oferă un domeniu de măsurare liniar între 30 dBA Leq și 128 dBA Peak, fiind ideal pentru aplicațiile de monitorizare a zgomotului urban.Costul redus al microfoanelor MEMS a facilitat apariția de modele inovatoare pentru terminalele de monitorizare a zgomotului, dotate cu caracteristici precum aranjamente cu mai multe microfoane pentru verificarea dinamică a sistemului.
Terminale de monitorizare a zgomotului cu microfoane MEMS:
În lipsa unei standardizări specifice pentru terminalele de monitorizare a zgomotului, cele două standarde principale utilizate pentru construirea acestora sunt IEC 61672-1, care definește capacitatea instrumentului de a măsura nivelurile de zgomot, și ISO 1996-2, care stabilește cerințele pentru aplicațiile de monitorizare a zgomotului.
În acest articol, sunt prezentate caracteristicile esențiale ale NMT-urilor definite de IEC 61672-1, printre care se numără domeniul de funcționare liniar, răspunsul în frecvență, caracteristicile direcționale și domeniul de funcționare al temperaturii.
Alte cerințe importante asociate cu aplicațiile de măsurare includ stabilitatea pe termen lung, rezistența la diverse medii, alimentarea și capacitatea de comunicare. ISO 1996-2 adaugă criterii suplimentare, precum funcționalități GPS, analiza frecvenței și monitorizarea condițiilor meteorologice (cum ar fi vântul, ploaia, temperatura și umiditatea), care nu sunt detaliate în acest articol.
Ce este un NMT?
Termenul „Terminal de Monitorizare a Zgomotului” (NMT) desemnează instrumentele utilizate pentru monitorizarea automată continuă a zgomotului, care includ nivelurile de presiune sonoră ponderate A, spectrele acestora și toate mărimile meteorologice relevante, precum viteza și direcția vântului, ploaia, umiditatea și stabilitatea atmosferică (ref. ISO 1996-2:2017).
Dezvoltarea terminalelor de monitorizare a zgomotului cu costuri reduse:
Terminalele de monitorizare a zgomotului conforme cu specificațiile ISO și IEC sunt în general dispozitive costisitoare. Unul dintre motivele acestui cost ridicat îl reprezintă microfoanele cu condensator, care trebuie să îndeplinească cerințe suplimentare pentru verificările de calibrare cu actuatorul electrostatic. O altă preocupare majoră la alegerea unui microfon este durabilitatea sa pe termen lung și rezistența la mediul înconjurător, aspecte esențiale în special în vârful intervalelor de preț.
Cu apariția microfoanelor MEMS, această barieră de preț a fost eliminată, costul mediu al unui microfon MEMS fiind mai mic de 5 euro. Împreună cu economiile aduse de NMT-uri, prețurile pentru serviciile de reparații au cunoscut de asemenea o scădere semnificativă.
Utilizarea microfoanelor MEMS s-a răspândit datorită designului lor versatil, imunității sporite la interferența de radiofrecvență (RFI) și interferențelor electromagnetice (EMI), costurilor reduse și rezistenței la mediu. Această rezistență la condițiile variabile de mediu este deosebit de importantă pentru aplicațiile de monitorizare acustică pe termen lung, inclusiv în iernile aspre sub zero și în verile calde și umede.
Termenul „Terminal de Monitorizare a Zgomotului” (NMT) desemnează instrumentele utilizate pentru monitorizarea automată continuă a zgomotului, care includ nivelurile de presiune sonoră ponderate A, spectrele acestora și toate mărimile meteorologice relevante, precum viteza și direcția vântului, ploaia, umiditatea și stabilitatea atmosferică (ref. ISO 1996-2:2017).
Dezvoltarea terminalelor de monitorizare a zgomotului cu costuri reduse:
Terminalele de monitorizare a zgomotului conforme cu specificațiile ISO și IEC sunt în general dispozitive costisitoare. Unul dintre motivele acestui cost ridicat îl reprezintă microfoanele cu condensator, care trebuie să îndeplinească cerințe suplimentare pentru verificările de calibrare cu actuatorul electrostatic. O altă preocupare majoră la alegerea unui microfon este durabilitatea sa pe termen lung și rezistența la mediul înconjurător, aspecte esențiale în special în vârful intervalelor de preț.
Cu apariția microfoanelor MEMS, această barieră de preț a fost eliminată, costul mediu al unui microfon MEMS fiind mai mic de 5 euro. Împreună cu economiile aduse de NMT-uri, prețurile pentru serviciile de reparații au cunoscut de asemenea o scădere semnificativă.
Utilizarea microfoanelor MEMS s-a răspândit datorită designului lor versatil, imunității sporite la interferența de radiofrecvență (RFI) și interferențelor electromagnetice (EMI), costurilor reduse și rezistenței la mediu. Această rezistență la condițiile variabile de mediu este deosebit de importantă pentru aplicațiile de monitorizare acustică pe termen lung, inclusiv în iernile aspre sub zero și în verile calde și umede.
Ce este un microfon MEMS?
Microfoanele MEMS (Micro Electrical Mechanical System) sunt alcătuite din trei componente principale: SENZORUL (microfonul), ASIC și pachetul. SENZORUL și ASIC-ul sunt înglobate împreună într-o cavitate înconjurată de un substrat și un capac.
SENZORUL este un microfon cu condensator miniaturizat polarizat, cu o polaritate tipică de 50V. O undă sonoră care trece prin orificiile acustice ale plăcii din spate va pune diafragma în mișcare, generând o schimbare în capacitatea dintre cele două suprafețe corespunzătoare. Această schimbare este transformată într-un semnal electric de către circuitul integrat specific aplicației (ASIC).
Există două tipuri principale de microfoane MEMS: analogice și digitale. În cazul tipului analog, ASIC-ul include un convertor de impedanță (preamplificator) și o pompă de încărcare pentru generarea unei tensiuni de polarizare. În schimb, ASIC-ul microfonului digital conține, în plus, un convertor A/D sigma-delta cu ieșire PDM.
În acest articol, ne vom concentra pe NMT-uri care utilizează un microfon MEMS cu ieșire analogică.
Studiu: comparație între specificațiile cheie ale a doi NMT-uri - bazat pe MEMS și bazat pe microfon cu condensator:
În această secțiune, vom analiza caracteristicile a două NMT-uri, unul bazat pe tehnologia MEMS și celălalt pe un microfon cu condensator. Ambele NMT-uri au fost certificate de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) pentru conformitatea cu standardul IEC 61672-1 în 2022. Performanța celor două NMT-uri a fost comparată după cum urmează:
- Svantek SV 200A, bazat pe un microfon cu condensator prepolarizat MK 255S, cu un diametru liber de ½” și o sensibilitate nominală de 50 mV/Pa.
- Svantek SV 307A, bazat pe un microfon MEMS ST 30A (carcasă de ½”) cu o sensibilitate nominală de 36 mV/Pa.
Conform datelor prezentate în Figura 4, NMT-ul SV 200A utilizează patru microfoane MEMS montate pe o parte a carcasei pentru a detecta directivitatea zgomotului.
Domeniu de funcționare liniar conform IEC 61672-1:
Măsurătorile tipice ale zgomotului exterior sunt realizate într-un interval cuprins între 30 dBA și 125 dBA, necesitând un interval dinamic de 100 dB (definit ca diferența dintre nivelul de zgomot ponderat A și SPL maxim în toleranță).
Primele microfoane MEMS (în 2008) aveau o gamă dinamică limitată, de aproximativ 60 dB. A doua generație de microfoane MEMS (în 2018) a oferit o gamă dinamică de 100 dB, permițându-le să fie utilizate în măsurători de zgomot în medii variate.
Pentru orice interval de nivel și la frecvența specificată, abaterile nivelurilor de zgomot măsurate de un NMT trebuie să se încadreze în IEC 61672-1. Comparând:
Măsurătorile tipice ale zgomotului exterior sunt realizate într-un interval cuprins între 30 dBA și 125 dBA, necesitând un interval dinamic de 100 dB (definit ca diferența dintre nivelul de zgomot ponderat A și SPL maxim în toleranță).
Primele microfoane MEMS (în 2008) aveau o gamă dinamică limitată, de aproximativ 60 dB. A doua generație de microfoane MEMS (în 2018) a oferit o gamă dinamică de 100 dB, permițându-le să fie utilizate în măsurători de zgomot în medii variate.
Pentru orice interval de nivel și la frecvența specificată, abaterile nivelurilor de zgomot măsurate de un NMT trebuie să se încadreze în IEC 61672-1. Comparând:
- Domeniul de funcționare liniar al NMT SV 200A este: 25 dBA ÷ 133 dBA Peak.
- Domeniul de funcționare liniar al NMT SV 307A este: 30 dBA Leq ÷ 128 dBA Peak.
Specificațiile pentru măsurarea zgomotului ambiental sunt îndeplinite în ambele cazuri de domeniul de funcționare liniar.
Răspuns în frecvență conform IEC 61672-1:
Terminalele de monitorizare a zgomotului conform IEC 61672-1 ar trebui să prezinte un răspuns în frecvență specificat pentru sunetul incident pe microfon dintr-o direcție principală într-un câmp acustic liber sau direcții aleatorii.
Ambele terminale respectă criteriile de răspuns în frecvență datorită filtrelor de compensare, care îmbunătățesc caracteristicile de frecvență și se conformează standardului IEC 61672-1, așa cum este demonstrat în figurile de mai jos.
Răspuns în frecvență conform IEC 61672-1:
Terminalele de monitorizare a zgomotului conform IEC 61672-1 ar trebui să prezinte un răspuns în frecvență specificat pentru sunetul incident pe microfon dintr-o direcție principală într-un câmp acustic liber sau direcții aleatorii.
Ambele terminale respectă criteriile de răspuns în frecvență datorită filtrelor de compensare, care îmbunătățesc caracteristicile de frecvență și se conformează standardului IEC 61672-1, așa cum este demonstrat în figurile de mai jos.
Răspuns direcțional conform IEC 61672-1:
Obiectivul de proiectare a răspunsului direcțional pentru orice frecvență din domeniul NMT este de a obține un răspuns uniform la sunetele provenite din toate direcțiile de incidență a sunetului. IEC 61672-1 stabilește limite de acceptare pentru abaterile de la aceste obiective de proiectare.
Pentru sonometrele clasa 1, frecvența semnalului sonor este specificată până la 12,5 kHz, iar pentru sonometrele clasa 2 până la 8 kHz. Datele de mai jos compară răspunsul direcțional al unui NMT cu un microfon cu condensator și un microfon MEMS, ambele respectând specificația IEC 61672-1.
Interval de temperatură de funcționare:
IEC 61672-1 stabilește două nivele de toleranță pentru măsurarea zgomotului exterior: Clasa 1 și Clasa 2. Aceste intervale guvernează temperaturile de funcționare, variind de la -10°C la +50°C și, respectiv, de la 0°C la +40°C. Acestea sunt factori esențiali în măsurătorile și monitorizarea zgomotului ambiental.
În practică, intervalul de temperatură pentru NMT nu ar trebui să fie mai mic de (-10°C) până la +50°C, datorită fluctuațiilor semnificative de temperatură în mediul exterior. De obicei, este preferabil să se ofere un interval de temperatură de funcționare de la -20°C la +60°C.
Intervalul de Temperatură de Funcționare pentru:
- SV 307A bazat pe MEMS: specificat de la (-20°C) la +60°C.
- SV 200A bazat pe microfonul cu condensator: specificat de la (-30°C) la +60°C.
Stabilitatea pe termen lung este crucială în cazul NMT-urilor, dat fiind că monitorizarea zgomotului este o măsurare nesupravegheată. Standardul ISO 1996-2 se referă la verificarea acustică ISO 20906/Amd1:2013 pentru a asigura sensibilitatea NMT. ISO necesită instalarea unui sistem automat de verificare care notifică dacă sistemul funcționează corect sau este potențial defect.
SV 200A folosește un sistem clasic de verificare bazat pe un actuator electrostatic, dar acesta poate fi supărător și costisitor în măsurătorile în aer liber. Microfoanele MEMS nu sunt testate cu actuatoare electrostatice din cauza carcasei, dar pot fi proiectate cu o matrice de mai multe microfoane într-o carcasă de ½ inch.
Alimentare și comunicare:
Puterea și comunicarea sunt esențiale în monitorizarea zgomotului. Datele trebuie transmise către servere la distanță în mod continuu. Cea mai populară formă de comunicare este GSM, iar ambele modele SV 307A și SV 200A folosesc modemuri 4G.
În multe situații, luminile stradale sunt surse de energie pentru NMT-uri. În astfel de cazuri, este important ca NMT-urile să aibă o viață utilă a bateriei de cel puțin 24 de ore. Cu consumul redus de energie al microfoanelor MEMS, aceste cerințe pot fi îndeplinite mai ușor și mai ieftin.
Rezistența la șocuri:
Microfoanele MEMS sunt extrem de robuste și pot rezista la șocuri mecanice de până la 10000 g (100000 m/s2), în timp ce microfoanele clasice cu condensator sunt mai vulnerabile la deteriorare din cauza șocurilor.
Capacitatea de Integrare a Sistemului Monitorizarea zgomotului bazată pe microfoane MEMS poate fi integrată cu ușurință cu alte sisteme de monitorizare a mediului la un cost redus.