Parámetros de elección del sensor

Partiendo de las características que se buscan en el sensor de ruido y la forma en la que éste se conectará al microcontrolador para el envío y recepción de datos, es necesario mirar al mercado para escoger un sensor adecuado. Ya se han definido características de hardware y software para el mismo. Pero hay que ver los requisitos técnicos que se precisan en el sensor para que cumpla con la aplicación. Dentro de las características técnicas se encuentran:

-Direccionalidad

La direccionalidad se define como la variación de la sensibilidad del micrófono en fun-ción de la direcfun-ción de incidencia de la onda acústica sobre el mismo [6].

Puede ser:

• Micrófono omnidireccional: tiene la misma sensibilidad para todas las direccio-nes, por lo que percibe todas las ondas sonoras con la misma intensidad indepen-dientemente de su dirección de procedencia.

• Micrófono direccional: tiene un patrón de sensibilidad que da preferencia a los sonidos que provienen de una única dirección del espacio, disminuyendo progre-sivamente a medida que los sonidos inciden desde direcciones más laterales/pos-teriores, llegando al punto de mínima sensibilidad, que se localiza justo en la di-rección opuesta respecto a la didi-rección de máxima sensibilidad, es decir 180º res-pecto a la dirección privilegiada.

• Micrófono bidireccional: es un micrófono direccional que tiene la máxima sen-sibilidad para dos direcciones del espacio opuestas en 180º.

Página | 26 Los micrófonos con algún tipo de direccionalidad necesitan dos entradas de sonido para poder ejercer esta función de selectividad espacial. La característica direccional se plasma mediante diagramas polares como el que se puede ver en la Figura 14, que dan informa-ción de la sensibilidad en funinforma-ción del ángulo de incidencia. En la direcinforma-ción o direcciones preferente(s) se percibe el sonido con una disminución de 0 dB, mientras que, a medida que se llega a las zonas en las que el micrófono es incapaz de sensar, se disminuye la percepción del sonido en valores de hasta -50dB.

Figura 14. Diagrama polar de direccionalidad

-Rango de frecuencias

Es el ancho de banda en el que el sensor es capaz de medir variaciones de presión sonora.

Relacionado con este parámetro está pues, la respuesta en frecuencia del sensor, definido como el valor de amplitud (en dB) en el que el sensor capta cada frecuencia dentro del rango.

Figura 15. Respuesta en frecuencia del sensor comercial ICS-43432

Página | 27 -Sensibilidad

Es la relación entre la tensión que proporciona el sensor y la presión sonora a la que se refiere, por lo que se expresa como 𝑉 𝑃𝑎⁄ . También se puede encontrar de forma logarítmica referida a una frecuencia de 1kHz y a un nivel de presión de 94dB (ya que es el equivalente a 1Pa de presión) [6][7] :

𝑆(𝑑𝐵) = 20 ∗ log ( 𝑆 1∗

𝑉⁄𝑃𝑎 𝑉⁄𝑃𝑎 )

En micrófonos digitales, este valor se expresa en forma de porcentaje del valor de tensión de salida con respecto al valor que proporciona su fondo de escala. (Definido como 0 dB FS debido a lo siguiente. La presión límite que aguanta el sensor es su fondo de escala, con lo que si se define el dB FS como:

𝑑𝐵 𝐹𝑆 = 20 ∗ log ( Presión Sonora

Presión Fondo de Escala), se obtendrá un valor de 0 dB FS para la presión del fondo de escala).

Para ello, se excita el sensor con una presión sonora de entrada de 94 dB (1 Pa) y se ve que valor de salida digital ofrece en relación a la salida a fondo de escala, la cuál sería un 1 lógico (en este caso serían 3.3V ya que el sensor estará alimentado a este valor de tensión). [8]

𝑆(𝑑𝐵 𝐹𝑆) = 20 ∗ log ( 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦(% 𝐹𝑆) 𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑅𝑒𝑓 (1.0) ) -Nivel de ruido

Corresponde al ruido eléctrico intrínseco del sensor, y es el resultado de la medición de su tensión en bornes, sin ningún tipo de excitación. Incluye el ruido por el micrófono y la electrónica incorporada en el encapsulado del micrófono MEMS. Hay dos formas de ex-presar su valor: asociándolo al valor que le correspondería en nivel de presión sonora equivalente (en dB), o –el más común- mediante la relación señal/ruido (SNR = Signal to Noise Ratio), donde:

𝑆𝑁𝑅 = 20 ∗ log (𝑉_{𝑠𝑒ñ𝑎𝑙} 𝑉_{𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜}) .

Página | 28 -Nivel de ruido Equivalente (EIN)

Hace referencia a qué cantidad de ruido se introduce en la señal del micrófono por parte del preamplificador [9] que se encuentra conectado al micrófono, así como de ruido térmico intrínseco al mismo. Este nivel de ruido pasa a través del micrófono y se mide a la salida. La prueba se realiza en una cámara anecoica con el ancho de banda completo.

Se deriva a partir de los valores de 94 dB de referencia y el SNR.

𝐸𝐼𝑁 = 94 𝑑𝐵 − 𝑆𝑁𝑅

Las ondas de presión por debajo del nivel mínimo que marca el EIN se encuentran por debajo del umbral mínimo de captación del sensor, por lo que para estos valores el sensor no proporcionará una salida.

-Distorsión Armónica

Corresponde a la deformación de onda de salida respecto a la forma de onda de entrada.

La onda de entrada suele estar dada para una frecuencia tonal, generalmente 1 kHz, y la Distorsión Armónica Total (THD) se corresponderá a la suma de las potencias de las frecuencias que componen la onda de salida respecto a la potencia de la onda de entrada, es decir:

𝑇𝐻𝐷 = √

𝑃_𝑖 ,

con 𝑃_𝑑 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 (𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) 𝑦 𝑃_𝑖 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

En los micrófonos MEMS, la THD se calcula con los primeros cinco armónicos de la frecuencia fundamental. [8]

Una vez definidos los principales factores limitantes en la elección del sensor, se introduce una tabla que refleja los valores adecuados para la función que se va a desarrollar, que es el utilizar el sensor de ruido en la vía pública.

Página | 29 Tabla de parámetros con valores adecuados para el diseño

Direccionalidad: Omnidireccional

Detalles: Al ser empleado en un ambiente abierto, es necesario que pueda medir sin ninguna disminución de potencia cualquier ruido de su alrededor.

Rango de frecuencias: 20Hz-20kHz

Detalles: El sensor debe ser capaz de medir ruido en el rango de frecuencias audible por el ser humano.

Sensibilidad: > - 60dB

Detalles: Puesto que los valores de sensibilidad suelen ser negativos debido a la referencia de la medida, mientras menos negativa sea, mayor sensibilidad tendrá el sensor. Es decir, un mayor valor de voltaje para un incremento de presión indica que la sensibilidad será mayor.

Nivel de ruido (SNR): > 60 dB

Detalles: Actualmente, los sensores de buenas prestaciones ofrecen un valor de 65 dB en adelante. Se debe a que para un input de 94 dB SPL, el sensor tiene en la salida un ruido (EIN) de 29 dB. En comparación con los micrófonos de condensador Electret, se puede decir que a igualdad de SNR, los micrófonos MEMS son mucho más pequeños.

[10].

Distorsión Armónica: < 3% 105dB

Detalles Puesto que la distorsión aumenta acorde al nivel de presión de entrada a razón de triplicarse cada 10 dB, si existe menos de un 3% de distorsión total a 105 dB, este será menor a un 1% con una entrada estándar de 94 dB. [8]

Nivel de ruido equivalente (EIN): = 94 dB - SNR Detalles:

Tabla 2. Valores recomendados de los parámetros de los micrófonos MEMS

Página | 30 Dentro de los sensores disponibles en el mercado, hay que ver qué características ofrecen cada uno de ellos que cumplan las especificaciones mencionadas. Entre los fabricantes que más soluciones ofrecen se encuentran TDK InvenSense, Knowles Syfer, CUI Devices y Infineon