jueves, 21 de noviembre de 2024 · 0 min read
¿Qué tan precisa es la medición de la potencia acústica mediante la intensidad del sonido?
La forma más común de medir la potencia acústica de dispositivos, como máquinas o electrodomésticos, es utilizando el método de envolvente con múltiples micrófonos según las normas ISO 3744 o ISO 3745. Sin embargo, también se puede determinar la potencia acústica utilizando una sonda de intensidad de sonido con un par de micrófonos emparejados, lo que podría ser más manejable. El ingeniero de pruebas camina alrededor del dispositivo bajo prueba (D.U.T.) utilizando el método de puntos o el método de barrido, según ISO 9614-1 o ISO 9614-2, respectivamente.
Estos métodos ofrecen una visión más profunda de la característica direccional del sonido del dispositivo bajo prueba mediante un mapa sonoro. Muchos códigos de pruebas de ruido hacen referencia a estos métodos, pero ¿qué tan precisa es la medición de la potencia acústica?
Antes de comparar los diferentes principios de medición, repasemos algunos de los conceptos que aprendimos en la capacitación profesional de Dewesoft sobre la medición de potencia acústica.
Definimos la intensidad del sonido como la potencia acústica por unidad de área. Depende de la distancia de la fuente de sonido y su entorno acústico. La intensidad del sonido es una magnitud vectorial que describe la cantidad y la dirección de la energía sonora. La unidad de la intensidad del sonido es [W/m²]. Se calcula como el producto de la presión sonora y la velocidad de las partículas.
¿Qué es la potencia acústica?
La potencia acústica es una característica de una fuente de sonido, generalmente expresada en una escala logarítmica como nivel de potencia acústica, correspondiente a los niveles de energía sonora emitidos por fuentes de ruido. Es independiente de la distancia a la fuente y, por lo tanto, es una forma práctica de comparar diversas fuentes de sonido. La potencia acústica puede medirse de diferentes maneras, ya sea por presión sonora o por intensidad sonora.
¿Qué es la presión sonora?
La presión sonora, o presión acústica, es la variación en la presión local respecto a la presión atmosférica circundante inducida por una onda sonora. En el aire, la presión sonora se mide típicamente con un micrófono, mientras que en el agua se utiliza un hidrófono. La unidad estándar para medir la presión sonora en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el Pascal (Pa).
Matemáticamente, la presión sonora, denotada como p, se define por
donde
\(p_{total}\) es la presión total,
\(p_{stat}\) es la presión estática.
El módulo de Intensidad Sonora de Dewesoft adquiere, calcula y muestra las tres cantidades de sonido descritas anteriormente: intensidad sonora, nivel de presión sonora y nivel de potencia acústica.
El D.U.T. - Fuente de Sonido de Referencia (RSS)
Para definir con precisión la radiación sonora en un amplio rango de frecuencias (100 Hz—20 kHz), elegimos la Fuente de Sonido de Referencia B&K 4204 como dispositivo de prueba, de acuerdo con la norma ISO 6929.
Este dispositivo funciona como un ventilador giratorio, generando un sonido de ruido blanco constante, estable y a largo plazo. Se utiliza principalmente en aplicaciones de acústica en edificios, por ejemplo, para determinar la absorción sonora o la insonorización de habitaciones o diferentes materiales. Dejó una impresión bastante robusta.
Dado que la potencia sonora del dispositivo era de aproximadamente 92 dB(A) durante las mediciones, tuvimos que usar tapones para los oídos industriales para protección auditiva, necesaria cuando la exposición al ruido ocupacional supera los 80 dB(A).
El informe de calibración estaba actualizado, y las condiciones de medición eran bien conocidas: un laboratorio de calibración externo determinó la Potencia Sonora Total y las bandas de octava individuales en una cámara semi-anecoica (sobre una placa reflectante), de acuerdo con la norma ISO 3745 de grado de precisión.
Lista de equipos
Sistema de adquisición de datos Dewesoft SIRIUS® Mini, analizador de ruido y vibración compacto y portátil, DB19008866, HW 4.0, FW 5.3.30.16, calibrado el 26.06.2024, según encontrado.
Software DewesoftX 2024.2 - software de adquisición y procesamiento de señales digitales.
Sound-Intensity-Plugin - complemento para el software DewesoftX para la medición de intensidad sonora.
Sonda de intensidad de sonido: GRAS 50GI-R, Número de serie: 482052.
Calibrador de presión sonora GRAS 42AG.
Calibrador de fase según IEC 61043, GRAS 51AB, Número de serie: 210878.
Generador de funciones Rigol DG1022 para señal de ruido (para calibración de fase).
Fuente de Sonido de Referencia según ISO 6929, B&K 4204, Número de serie: 552298, calibrada por un laboratorio de pruebas acreditado el 19.12.2023.
Cámara anecoica propiedad de AUVA, acreditada según EN ISO/IEC 17025, Compañía de Seguros de Accidentes Generales, ubicada cerca de Viena.
Condiciones ambientales:
21.2 °C
55.1% humedad relativa
¿Qué es una sonda de intensidad sonora?
Una sonda de intensidad sonora es un instrumento especializado utilizado para medir la intensidad del sonido, que es la potencia sonora por unidad de área, generalmente expresada en vatios por metro cuadrado (W/m²). La intensidad del sonido es una magnitud vectorial que tiene tanto magnitud como dirección. La sonda permite determinar las características direccionales de los campos sonoros, lo cual es esencial en aplicaciones como la identificación de fuentes de ruido, la determinación de la potencia sonora y la investigación acústica.
Componentes de una sonda de intensidad sonora
Una sonda de intensidad sonora típica consta de un par de micrófonos colocados a una distancia cercana, generalmente de unos pocos centímetros, que miden la presión sonora en dos puntos diferentes. La distancia entre los micrófonos permite calcular el gradiente de presión, lo cual es esencial para determinar el componente de velocidad de las partículas en el vector de intensidad sonora.
Un espaciador rígido mantiene una distancia fija entre los dos micrófonos, asegurando mediciones precisas del gradiente de presión sonora. Cada micrófono tiene un preamplificador que acondiciona la señal para su posterior procesamiento y se conecta a un sistema de adquisición de datos que captura las señales de los micrófonos de la sonda. El sistema procesa las señales para calcular la intensidad sonora analizando las diferencias de fase y amplitud entre las señales de los micrófonos.
Principios de funcionamiento y aplicaciones
La sonda puede calcular la intensidad del sonido analizando la diferencia en los niveles de presión sonora entre los dos puntos de medición. El principio fundamental se basa en los siguientes pasos:
Medición del Gradiente de Presión: Los micrófonos realizan mediciones del nivel de presión sonora en dos puntos separados por una distancia conocida. La diferencia de presión entre los dos micrófonos determina el gradiente de presión.
Cálculo de la Velocidad de Partículas: El gradiente de presión está relacionado con la velocidad de las partículas de la onda sonora. Se calcula la velocidad de las partículas utilizando el gradiente de presión y la distancia de separación conocida.
Cálculo de la Intensidad Sonora: La intensidad sonora se calcula como el producto de la presión sonora medida por uno de los micrófonos y la velocidad de partículas calculada a partir del gradiente de presión. El resultado es una magnitud vectorial que indica tanto la magnitud como la dirección del flujo de energía sonora.
A diferencia de los medidores de nivel sonoro tradicionales, que miden los niveles de presión sonora sin información direccional, las sondas de medición de intensidad sonora proporcionan tanto la magnitud como la dirección del flujo de energía sonora. Al proporcionar datos direccionales, las sondas de intensidad sonora ayudan a localizar con precisión las fuentes de ruido. También pueden medir la potencia acústica directamente en presencia de ruido de fondo, lo que las hace útiles en entornos ruidosos.
Los ingenieros utilizan las sondas de intensidad sonora en diversas aplicaciones, incluidas la identificación de fuentes de ruido, la investigación acústica, el monitoreo de ruido ambiental, la acústica de edificios y, en nuestro caso, para determinar la potencia sonora.
Preparando la sonda de intensidad sonora
La sonda de intensidad sonora consta de dos micrófonos emparejados. Durante su fabricación, se seleccionan los pares con el menor error de fase posible entre ellos. Se obtiene la mayor precisión realizando una calibración adicional de fase en el sitio, lo cual elimina pequeños cambios causados por el cableado.
El generador de funciones, o también puedes usar la salida analógica del SIRIUS con el generador de funciones del software, proporciona una pequeña señal de ruido al calibrador de fase GRAS 51AB conectado a los micrófonos. El procedimiento está listo en la pantalla predeterminada de Intensidad Sonora en el software DewesoftX, por lo que solo necesitas hacer clic en un botón y esperar.
Una vez completado el procedimiento, el resultado medido estaba disponible como una tabla de calibración de fase en la configuración del canal de Intensidad Sonora.
Configuración de la medición
Modificamos la cámara completamente anecoica a una cámara semi-anecoica insertando una placa reflectante en el suelo, con el objetivo de replicar las mismas condiciones que en el informe de calibración de la Fuente de Sonido de Referencia. Generalmente, los métodos de la norma ISO 9614 se ejecutan en condiciones de campo libre sobre una superficie reflectante, como el suelo. Esta configuración implica que la intensidad sonora debe medirse sobre cinco superficies, ya que toda la energía sonora emitida hacia abajo por la fuente se refleja a través de estas cinco superficies. En cada una de las cinco superficies, es necesario medir la intensidad sonora promedio en el tiempo antes de incluir el área de la superficie en el cálculo posterior de la Potencia Sonora.
Seleccionamos el espaciador de frecuencia para el rango de frecuencia recomendado de 100-12,500 Hz para la Sonda de Intensidad Sonora. Dado que el método de barrido introduce muchas incertidumbres (dependiendo del ingeniero de pruebas, algunos moverán la sonda más rápido o más lento sobre el sector del D.U.T.), el método de puntos, de acuerdo con la norma EN ISO 9614-1, fue el medio elegido.
Alrededor del D.U.T., definimos un cubo de 1,9 x 1,9 x 1,5 m en total. Dado que no podíamos medir desde la parte inferior, el cubo resultó en cinco superficies. Luego dividimos cada superficie en cuatro sectores y centramos la sonda de Intensidad Sonora en el sector apropiado para cada medición.
Dado que el sonido emitido por el D.U.T. era muy homogéneo, los datos no cambiaron después de unos segundos de promedio, lo que redujo los tiempos de medición de cada segmento a 10 segundos.
Medición y adquisición de datos
Para asegurar una posición precisa de la sonda de Intensidad Sonora, utilizamos trípodes a la izquierda y derecha de cada superficie, con una banda elástica conectada como ayuda. Marcamos las posiciones inferiores con cinta amarilla en la banda mientras rotábamos los brazos superiores de los trípodes 90 grados para guiar las posiciones más altas. Movimos toda la configuración entre cada lado del cubo, y las pegatinas en el suelo, que también habían sido marcadas previamente, proporcionaban la orientación.
Resultados de la medición y conclusiones
Después de realizar las mediciones, exportamos la Potencia Sonora Total y las bandas de octava individuales a MS Excel.
A continuación, en el lado izquierdo de la tabla, se muestran los valores del informe de prueba de Potencia Sonora realizado por un laboratorio acreditado, basado en la configuración de hemisferio de la norma ISO 3745. En el centro, están las mediciones de Potencia Sonora realizadas con Dewesoft utilizando el principio de Intensidad Sonora, y a la derecha está la diferencia.
Dado que el informe de calibración del laboratorio acreditado mostró resultados con ponderación (Z), también pudimos convertir estos a ponderación (A) para igualar el comportamiento del oído humano. Podemos hacer esta conversión simplemente agregando la curva de referencia de ponderación A para cada banda; consulta también la explicación en la Capacitación PRO de Dewesoft para obtener más información. A 1 kHz, los valores de (Z) y (A) coinciden, ya que el valor de corrección es 0.
Para la Potencia Sonora Total Lw(A) en la parte inferior de la tabla, se puede observar una desviación de alrededor de 1 dB. Esto lo podemos explicar debido a los diferentes rangos de frecuencia utilizados. Mientras que el informe del laboratorio de pruebas acreditado en la Figura 8 cubre un rango de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz, la medición de Dewesoft cubre de 100 Hz a 12,5 kHz. Para cubrir todo el rango, debemos combinar dos mediciones usando espaciadores diferentes, por ejemplo, de 12 mm y 100 mm.
Dado que los dos métodos de medición son diferentes en principio, al medir la Potencia Sonora basada en la Intensidad Sonora, la norma ISO 9614-1 especifica una tolerancia de +/-2 * s (desviación estándar) para las bandas individuales, que es:
+/-4 dB for bands 50-160 Hz
+/-3 dB for bands 200-630 Hz
+/-2 dB for bands 800-5000 Hz
+/-4 dB for 6300 Hz band
El complemento de Intensidad Sonora de Dewesoft cumple con las especificaciones de grado de precisión. También compensa en parte el comportamiento del espaciador de plástico entre los micrófonos. Esto mejora aún más la precisión, especialmente en las bandas más altas como de 6 kHz a 12.5 kHz, lo que nos distingue de la competencia.