DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
PROTOTIPO DE ESTACIÓN DE MONITOREO DE RUIDO DE BAJO COSTO.
JUAN CARLOS MERLO BODENHORST Universidad de las Américas, Ecuador, Quito.
jcmerlob@gmail.com RESUMEN: El ruido, principalmente el urbano, es un
fenómeno cambiante que afecta a millones de personas diariamente. Su monitoreo es complejo y necesario si se desea tomar medidas adecuadas de prevención, construcción y planificación urbana. Por esta razón y la creciente disponibilidad de la tecnología digital, nace la iniciativa de desarrollar estaciones de monitoreo de bajo costo. Estos puntos de monitoreo se podrían distribuir a lo largo de las zonas afectadas, y realizar un seguimiento extensivo del ruido urbano, el cual se adquiere en una estación central de recepción. Este proyecto abarca el desarrollo y pruebas de un primer prototipo de dicha estación de monitoreo, que, con un bajo costo, logra buenos resultados y entrega una idea más clara del futuro de estos sistemas.
Palabras claves: Adquisición de datos, DAQ, Micro controlador, Monitoreo, Ruido, Prototipo, Urbano.
I. INTRODUCCIÓN
Una tecnología digital cada vez más accesible y económica, es un incentivo constante para la experimentación y la innovación. En todos los campos de la ingeniería existe la posibilidad de rediseñar y optimizar los diversos sistemas. De esto surge la idea de crear un instrumento de metrología acústica o sonómetro, utilizando la tecnología de los micro controladores. El objetivo es crear un dispositivo lo suficientemente flexible y de bajo costo como para ser parte de una red de monitoreo acústico para zonas urbanas.
Los micro controladores son esencialmente computadores miniaturizados en forma de circuitos integrados. En la era moderna son el corazón de cualquier dispositivo digital, tienen diversas arquitecturas que varían dependiendo su tecnología de fabricación y aplicación específica. Desde un simple reloj de mano hasta un avanzado brazo robótico, el fundamento es el mismo, aplicado a diferente escala y capacidad. Las posibilidades son numerosas, sin embargo esta tecnología solo representa materia prima de lo que es verdaderamente un dispositivo funcional, que debe ser diseñado, testeado y ensamblado por su fabricante.
II. METODOLOGÍA A. Sistemas digitales de adquisición de datos.
Para construir el dispositivo de este proyecto era preciso conocer la teoría detrás de estos sistemas. Un sonómetro digital es un tipo de sistema bastante usual, llamado sistema de adquisición de datos digital (DAQ), estos sistemas se caracterizan por tener cuatro etapas indispensables para cumplir su función básica de realizar mediciones:
1. Un sensor o transductor para capturar un fenómeno o acción que deseamos medir, que consecuentemente lo convierte a una señal eléctrica que represente dicho fenómeno.
2. Una etapa de adecuación de la señal, que se encarga de adaptar la salida de la señal a las necesidades de la conversión analógica-digital. Comúnmente esta etapa consta de ganancia y filtrado (como el filtro anti-aliasing) pero puede también comprender etapas más complejas de procesamiento según las necesidades.
3. Un convertidor A/D, que es un circuito utilizado para medir voltajes de entrada, que se transcriben a datos digitales, cuya resolución depende de las capacidades del convertidor y una vez que se digitaliza la información, es posible realizar cualquier tipo de procesamiento computarizado.
4. Finalmente la información debe ser procesada y desplegada, en un aparato de metrología acústica, esto significa calibrar la medición del voltaje realizada, al nivel de presión sonora que originó el mismo, con el fin de mostrar los datos de medición al usuario del sistema a través de una pantalla o display.
Para el diseño del prototipo sería necesario resolver cada una de dichas etapas.
B. Transductor electro acústico y sistemas lineales.
Un transductor electro acústico convierte la energía acústica a una señal eléctrica, los mejores para la tarea son los micrófonos de condensador, por tener una respuesta de amplitud lineal en todo el espectro audible. Es decir que la entrada acústica a dicho sistema mantiene una relación de primer orden con el voltaje de salida.
La linealidad en este tipo de sistemas es muy importante, porque determina la estructura del algoritmo de calibración, el mismo se aplicará una vez que la señal del transductor sea digitalizada. Tener un sistema lineal desde el transductor hasta la conversión A/D, significa que se puede calibrar el voltaje medido por el convertidor, a la presión sonora de entrada, utilizando una función matemática de primer orden.
Esto minimiza errores en la medición generados por el algoritmo de calibración que se torna mucho más fácil de diseñar.
En la figura 1 se muestran los datos experimentales del sistema sensor y pre amplificador. Este muestra un comportamiento lineal con respecto a la presión sonora de entrada, el mismo comportamiento que se buscará en la zona de funcionamiento de cada una de las etapas del sistema de adquisición de datos, esto con el fin de crear un sistema lineal de medición.
Figura 1. Respuesta a la amplitud de entrada, para el sistema: micrófono de condensador Behringer ECM8000 y pre amplificador Rolls mp-13, entre 0.06 y 1 pascales de presión sonora pico (70 y 94 dB).
Es importante mencionar que dicha recta está ligada al nivel de ganancia en el que se realizó el experimento. Este traslada la pendiente de respuesta arriba o abajo, al subir o bajar el nivel en el preamplificador, respectivamente. Esto convierte a la ganancia en pieza clave para la calibración del sistema, ya que llevará un determinado rango de nivel de presión sonora (NPS) de entrada al sistema, al rango de voltaje de salida necesario para el resto de componentes electrónicos en las etapas posteriores del prototipo de medición.
C. Circuito analizador de espectro (CI).
La señal está lista para ser adecuada al nivel de voltaje necesario por el pre amplificador, cumpliendo así una primera, y muy común etapa de acondicionamiento de la señal. Un sistema común de conversión A/D tendría una última etapa, un filtro anti-aliasing para evitar distorsiones de transcripción al momento de la conversión, y digitalizaría toda la información en la señal eléctrica del transductor.
Esta es la línea de funcionamiento de los sistemas de grabación digital, que producen flujos grandes de información y requiere de equipos digitales avanzados y costosos. Con la idea de mantener un bajo costo del sistema se aplicó una etapa adicional de acondicionamiento de la señal, un circuito analizador de espectro.
El circuito integrado BA3834S es un analizador de espectro analógico. Utiliza 7 filtros pasa banda dispuestos en octavas desde 62Hz hasta 15kHZ, se usa para realizar un simple análisis de espectro a bajo costo con un CI, ya que este tipo de circuito integrado se utiliza mucho en sistemas de audio para funciones de reproducción gráfica. Lo que lo hace atractivo para este proyecto es que posterior al filtrado en octavas de la señal, el CI aplica un proceso llamado Peak Hold a cada banda, es decir un tipo de rectificación de la señal alterna, donde en su salida se obtiene voltaje de corriente continua, el mismo que está correlacionado al nivel de voltaje pico en cada una de las 7 bandas de frecuencia. La figura 2 muestra la respuesta encontrada al utilizar un generador de tonos puros, en la frecuencia central de las bandas de 62Hz, 1kHz y 15kHz.
Figura 2. Respuesta a la amplitud del circuito integrado BA3834S.
El circuito integrado proporciona una señal de corriente continua equivalente a la envolvente de la señal original de audio, y con la cual se determinará la amplitud de la misma.
Esta señal acondicionada requiere cientos de veces menos información para ser digitalizada correctamente, ahorrando dinero en las capacidades del convertidor A/D, pero perdiendo la información original de audio en cada banda de frecuencia.
En la respuesta también podemos observar el comportamiento lineal que buscamos para todas las etapas del sistema. Si observamos la entrada al CI en el rango de los 30 a 600 mV, es claro que produce una respuesta lineal en la salida en el rango de 0.25 a 4.7 voltios, aproximadamente. El rango dinámico de este rango de funcionamiento seria de:
20×log(600/30) = 26.02 dB
Con la prueba anterior se espera que el rango útil de un analizador no supere los 26 dB. El CI muestra un rango dinámico limitado, pero podría ser parte de varias etapas de medición de la amplitud, por lo que el proyecto se centró en evaluar el funcionamiento de esta etapa individual, ya que aún resta evaluar el comportamiento de los filtros pasa
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Voltaje de Salida (mV Pico)
Presion Sonora de Entrada (Pa Pico)
0,001 0,01 0,1 1 10
1 10 100
Voltaje de Salida (V)
Voltaje de entrada (mV Pico) Banda 3 @ 1000Hz
Banda 6 @ 15.5kHz Banda 0 @ 68Hz
banda, que consta principalmente de pruebas experimentales.
D. Conversión A/D.
Para esta etapa crucial de la adquisición se utilizó el micro controlador (MC) ATmega328 de Atmel. En una popular tarjeta para diseño de proyectos y prototipos electrónicos llamada Arduino UNO, este MC se suma a una interfaz USB, por la cual se puede programar el ATmega328 directamente de un computador, y acceder con código de programación a sus 14 pines de entrada o salida digital y 6 entradas de conversión A/D de 10 bits. En el prototipo se utilizó una de las entradas analógicas para obtener la medición del voltaje de salida en el CI analizador de espectro. 4 pines digitales se utilizan como salidas para generar señales de control, necesarias para seleccionar la salida del analizador de espectro desde el programa del MC, y realizar las mediciones del voltaje en cada banda de frecuencia.
De cualquier forma que se diseñe un aparato electrónico, el micro controlador ofrece facilidades para el funcionamiento, como en este caso que se utilizó el algoritmo del procesador para controlar el circuito integrado que se deseó implementar. En general se encontró un funcionamiento muy estable en la conversión del MC. La conversión A/D se realiza entre 0 a 5 voltios, y una resolución de 10 bits por lo que el voltaje mínimo a medir es:
5 × 1/1024 = 0.0048 v
o aproximadamente 5mV. que equivale a un rango dinámico de:
20×log(5000/5) = 60 dB
Es así que la entrada del micro controlador está totalmente capacitada para leer la salida del CI entre 250 y 4700 mV.
Finalmente se estableció que el prototipo realice el muestreo de la señal cada 200ms para mantener un flujo bajo de información y tener una respuesta impulsiva aceptable.
E. Transmisión, calibración y despliegue de datos.
Para la transmisión de datos se utilizó una tarjeta de red especial para la tarjeta Arduino UNO. Con este podemos usar el algoritmo del procesador para enviar paquetes de información a través de una red de computación LAN. Con tan solo un comando en el código se envían los datos de medición en las 7 bandas en un rango de 0 a 1024 hacia la dirección IP de un computador que actuará como receptor de datos.
Figura 3. El micro controlador, la tarjeta de red y la placa del circuito integrado, durante una prueba de respuesta con un generador de tonos.
Para la recepción de datos, se programó un computador utilizando LabView de National Instruments, que es una interfaz de programación enfocada a la adquisición de datos en laboratorio. El programa de recepción llamado "Data Logger", se diseñó como una interfaz de usuario completa, esta busca un paquete UDP de red cada 200ms y lo procesa para entregarlo al usuario calibrado en dB.
Como sabemos que el voltaje medido al final del sistema es linealmente proporcional a la presión sonora en el diafragma del transductor, se desarrolló una función de calibración:
NPS = 20×log(V/Vref ) + C
donde la amplitud del voltaje V en la escala de conversión A/D (0-1024) se referencia a un nivel de voltaje Vref, y C es el nivel de presión sonora obtenido en laboratorio, que produce una salida de voltaje V igual a Vref, para cada una de las bandas. Es decir que para realizar la calibración se debe ajustar la ganancia del preamplificador y encontrar los 7 valores C de calibración para las bandas del CI.
El nivel se calibra para cada banda individualmente y se suma la amplitud de las 7 bandas para determinar el NPS total del espectro, para esto se uso la función:
NPStotal = 10×log(10NPS0/10 + ⋯ + 10NPS6/10 ) + ∆
Donde ∆ es un factor de corrección constante en dB, que se implementó para compensar errores en la sumatoria de la amplitud en las bandas, puesto a que los filtros pasa banda analógicos se sobreponen entre sí, por lo que se esperaba que la cuantificación de la amplitud total sea sobrevalorada.
Posteriormente el valor de ∆ se encontró alrededor de - 12.5dB, mediante pruebas de laboratorio comparativas con un sonómetro Solo 01dB. Un valor alto, y que no funciona correctamente si la mayoría de bandas en el analizador de espectro están inactivas, con lo que puede bajar la corrección hasta 9.2dB.
Finalmente se adecuó el programa receptor de datos en PC, para realizar capturas y cálculo del NPS equivalente (o nivel de presión sonora promedio), con lo que el prototipo está listo para ser evaluado con otro instrumento de referencia.
III. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para la evaluación del prototipo se utilizó una serie de experimentos comparativos, la idea era exponer al prototipo y a un sonómetro de referencia, a la misma entrada acústica y evaluar las diferencias.
Figura 4. Condiciones de laboratorio del último experimento de evaluación.
Se ubicaron dos transductores idénticos, uno conectado al prototipo y otro al sonómetro de referencia (Interfaz de audio y computador) a una distancia de 30cm de una fuente de mediana potencia. Todo esto dentro de una sala absorbente, con la idea de minimizar la influencia acústica del recinto, y que la incidencia sobre los transductores sea únicamente sobre el eje directo.
Con el ensayo listo se procedió a medir con ruido rosa en incrementos progresivos de amplitud, tomando niveles del prototipo y sonómetro de referencia se pudo modelar la respuesta a la amplitud en dB. La figura 5 muestra el nivel medido en el sonómetro con respecto al nivel obtenido por el prototipo.
Figura 5. Respuesta promedio al ruido rosa, ∆ = -12.5dB.
Con este ensayo se pudo comprobar, de manera práctica, la respuesta esperada en el sistema. Alrededor del nivel de calibración de C=88.1dB que se ubicó en la escala de amplitud Vref = 451, encontramos la parte central de la respuesta, donde la diferencia entre el sonómetro y el prototipo alcanza el error mínimo de -0.5dB. y con un error máximo de -1.5dB para 81 y 96 decibeles, esto nos deja un rango efectivo de medición de unos 15 dB.
La línea de etapa superior, representa una extrapolación de lo que podría ser una segunda etapa de medición de amplitud, calibrada 15 dB sobre la primera etapa, este
segundo CI podría extender el rango dinámico del prototipo.
Dado a que el costo de los CI es despreciable en relación al resto del sistema, esta mejora sería económicamente viable.
Finalmente se realizó más comparaciones utilizando muestras de audio representativas de ruido urbano, con el fin de seguir probando la capacidad del prototipo de cuantificar el NPS, ahora ante diferentes señales con diferentes contenidos espectrales, lo que pondrá a prueba la calibración y el factor de corrección ∆=-9.2dB. Con la ayuda de una función de captura y exportación de datos que existe en ambos, el sonómetro y el "Data Logger", se logró realizar una comparación temporal de las capturas (Figura 6) y no solo la comparación del nivel equivalente.
En la figura 6 se presentan dos de las capturas realizadas y que representan buenos ejemplos de las observaciones realizadas.
La primera captura consta de una Autopista con bajo tráfico, el contenido espectral es bajo y se puede notar que el prototipo sigue muy bien al sonómetro con la corrección de
∆=-9.2dB, esto es hasta que el nivel sale del rango de funcionamiento de los filtros pasa banda, que por el nivel de calibración de 88.1dB está entre 94dB y 77.5dB.
Nivel Equivalente P: 92.1dB S:95.1dB
Nivel Equivalente P: 93.3dB S:90.8dB
Figura 6. Ensayos de captura de muestras de audio.
Se observó también 3 dB menos en la lectura del nivel equivalente en el prototipo, con respecto al sonómetro de referencia. Sin embargo este error parecería estar ligado a la falta de rango dinámico, y no sería importante en un sistema de rango ampliado.
También es posible encontrar diferencias importantes en los segundos 9 y 38, el nivel del prototipo sugiere que hubo
-‐5 -‐4,5 -‐4 -‐3,5 -‐3 -‐2,5 -‐2 -‐1,5 -‐1 -‐0,5 0
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
Diferencia Proto7po -‐ Sonometro (dB)
NPS en el Sonometro (dB)
Respuesta promedio Etapa Superior +15dB
75 80 85 90 95 100 105 110
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
NPS total (dB)
Tiempo de Captura (seg)
Autopista
ProtoEpo Sonometro
70 75 80 85 90 95 100 105 110
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
NPS total (dB)
Tiempo de Captura (seg)
Construcción
ProtoEpo Sonometro 88.1dB
88.1dB
algún error de cuantificación , ya que el nivel está en el rango operacional. Esto pudo ser producido por frecuencias específicas a las cuales el prototipo no responde bien, frecuencias intermedias entre los filtros analógicos, o quizás por sonido emitido en los límites de muy alta o baja frecuencia para el CI los rangos cubiertos por los filtros pasa banda.
En la muestra de audio de una construcción urbana (figura 6), se presentó un ruido con alto contenido espectral, esta señal no tiene un rango dinámico amplio, por lo que se mantiene en el rango de funcionamiento del prototipo, sin embargo la sumatoria del nivel total se mantiene alrededor de 3 dB por sobre el prototipo durante toda la captura, lo que siguiere una corrección ∆=-12.5dB y revela el problema de incertidumbre que se encontró en ensayos anteriores, y se supone es un efecto de la superposición de los filtros pasa banda.
IV. CONCLUSIONES
En conclusión el proyecto cumplió todas sus expectativas, al poder completar un sistema de adquisición de datos útil y de bajo costo. El prototipo presenta unas buenas prestaciones, se pudo modelar todas las etapas del sistema, y determinar los puntos débiles que ayudarán a futuras investigaciones.
Por un lado se encontró una buena estabilidad en los componentes, y se determinó que se puede medir señales de voltaje con una muy buena precisión en relación al costo del prototipo que no excede los 200 dólares.
Por otro lado se detectó un punto débil en los filtros pasa banda, y podría ser superado si se ubican filtros con mayor resolución, o si eliminamos el analizador de espectro para rectificar y calcular la amplitud de toda la señal, sin el filtrado por bandas. Esto perderá toda la información espectral de la señal y nos llevaría a usar filtros de ponderación analógicos, difíciles de diseñar, pero podría ser el diseño de un segundo prototipo de bajo costo, que desde el punto de vista de esta investigación, podría llegar a una precisión excepcional.
RECONOCIMIENTO
Agradecimientos a mi familia y la Universidad de las Américas, por el apoyo en esta investigación y durante el desarrollo de mis estudios de Ingeniería.
REFERENCIAS
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