Scritto da Grant Maloy Smith, esperto in acquisizione dati.

In questo articolo tratteremo i seguenti argomenti:

  • Capire la differenza tra suono e rumore
  • Conoscere i differenti tipi di microfono e capire il loro funzionamento.
  • Vedere quanto siano importanti le misure del suono e del rumore.

Come per tutti questi articoli, inizieremo con i concetti di base e sul  come utilizzare le migliori tecnologie per effettuare misure con i sistemi più evoluti. 

Man testing headphones in an anechoic chamber
                                         Test delle cuffie in camera anecoica.                                                  Consumer Reports, CC BY-SA 4.0, da Wikimedia Commons.

Cos’e’ il Suono?

Il suono é una variazione di pressione che l’orecchio umano puo’ percepire.
Il suono puo’ essere trasmesso nell’aria, sottacqua o anche attraverso oggetti solidi. Musica, discorsi, il rumore di un motore, il canto di un uccello - questi gli esempi di suono che quotidianamente possiamo sentire. Per come questi suoni sono creati, noi ci riferiamo al suono come pressione sonora.

ll suono non si può propagare se non c'è un elemento di trasferimento, ad esempio un elemento comprimibile come l’aria o l’acqua -in questi casi si propaga con onde longitudinali -, mentre nei solidi si trasmette con onde trasversali. Le onde di rumore sono generate da sorgenti come membrane vibranti, altoparlanti, motori etc. La sorgente di suono crea vibrazioni che si propagano nell’elemento circostante. Dal momento che la sorgente fa vibrare l’elemento circostante, le  vibrazioni si trasmettono, sotto forma di onde, nell’ambiente e ciò avviene alla velocità del suono.

Il Livello di pressione sonora (SPL) iè la misura logaritmica della effettiva pressione del suono rapportata ad un valore di riferimento. E’ misurata in decibels (dB) al di sopra di un livello di riferimento standard. La pressione standard di riferimento del suono in aria od altri elementi gassosi è 20 µPa, che è normalmente considerata la soglia umana di percezione del suono (ad 1 kHz). La seguente equazione mostra come calcolare il livello di pressione del suono (Sound Pressure level - Lp) in decibels [dB] partendo dalla pressione del suono (P) in Pascal [Pa].

\[Lp = 10 \cdot log_{10}(\frac{{p_{rms}}^2}{{p_{ref}}^2}) = 20 \cdot log_{10}(\frac{p_{rms}}{p_{ref}}) \]

Dove:

Pref è la pressione del suono di riferimento e Prms è la pressione sonora efficace misurata in RMS

Cos’e’ il Rumore?

E’ fondamentale sapere che noi analizziamo e misuriamo non solo i segnali buoni, che ci interessano, ma anche quelli “indesiderati”. E’ proprio con questi ultimi che va a coincidere la definizione di rumore. Così come il suono, anche il rumore è generalmente misurato in Pascal, ma è comunemente convertito in decibel per questione di praticità.

Probabilmente conoscete l’acronimo NHV, che sta per Noise, Vibration and Harshness (rumore - vibrazioni - durezza). I test NVH puntano alla misura dei suoni indesiderati (rumore) provenienti da una larga varietà di sorgenti, in modo da poterli eliminare o quantomeno ridurre. Quasi tutte le macchine producono rumori, dalle auto ai soffiatori di foglie, asciugacapelli, impastatrici alimentari, e così via.

Progettare macchine per limitare o migliorare il rumore che creano ha come presupposto di base la misura del suono e del rumore. Oltre ad essere un fastidio o fonte di distrazione, alcuni suoni possono essere dolorosi od addirittura dannosi. Il primo passo per poter intervenire e trovare rimedi è fare corrette misure per poi poter agire.

Come si misura il suono?

Il sensore primario per la misura di un suono è il microfono. I microfoni sono utilizzati per misurare le onde di pressione sonora in una varietà di frequenze, compresa l’intera gamma dell’udibile umano e persino oltre. La maggior parte dei microfoni sono progettati per misurare la propagazione del suono attraverso l’aria, ma altri sono in grado di effettuare misure anche sott’acqua (idrofoni) o nel suolo (sismici).

Cos’è la Pressione del Suono?

Measuring sound pressure with Dewesoft equipment

​​La pressione del suono è misurata in Pascals (Pa). Essa quantifica come il suono è percepito dal ricevente, ad esempio l’orecchio umano. Molte variabili influenzano come un suono viene ricevuto, come la riflessione delle pareti della stanza e le sue dimensioni, la distanza dalla sorgente ed altro ancora.

Cos’è la Potenza Sonora?

La potenza sonora è misurata in Watts (W). Questa rappresenta l’energia del suono creato dalla sorgente; questo dato è completamente indipendente da come il suono viene percepito dal sistema ricevente.
I produttori di quasi tutti i tipi di macchinari o dispositivi in genere, sono sottoposti al rispetto delle normative emanate dalla Comunità Europea (EU-2006/42/EC) che impongono di misurare e dichiarare la potenza sonora dei loro prodotti (giocattoli, stampanti, attrezzature industriali, macchine edili etc.). Le misure della potenza sonora ed il suo contenimento sono ovviamente dei requisiti da considerare in fase progettuale.

Measuring sound power on washing machine with Dewesoft equipment

Gli standard applicabili per le misure di Potenza sonora sono::

  • ISO 3741
  • ISO 3743-1
  • ISO 3743-2
  • ISO 3744
  • ISO 3745
  • ISO 639-3
  • ISO 639-4
  • ISO 639-5
  • ISO 639-6

Per riassumere, mentre la pressione sonora descrive la percezione dell’ascoltatore di un dato suono in base all'ambiente acustico, la potenza sonora quantifica l’energia del suono stesso, indipendentemente dall’ambiente o da come questo viene percepito.

Pressione e potenza sonora identificano quindi due aspetti totalmente diversi del suono stesso e non devono essere confusi o comparati. 
In sintesi, la potenza sonora è dipendente in modo univoco dalla sorgente, mentre la pressione sonora è quanto viene percepito dal ricevente e dipende da molti fattori (ambiente, distanza, etc.)

Cos’è l’Intensità Sonora?

Measuring sound intensity with Dewesoft equipment

SIntensità e pressione sonora non sono la stessa cosa. L’intensità identifica la potenza trasportata dalle onde sonore per unità di area in una direzione perpendicolare all’area stessa. L’intensità sonora (I) si ottiene moltiplicando la pressione sonora (Pa) per la velocità delle particelle (v).

I=Pa⋅v

Dove Pa è la Pressione misurata in Pascals e V la velocità delle particelle misurata in m/s.

L'intensità sonora è una misura importante, in quanto identifica il flusso medio della quantità di energia per unità di superficie. A differenza dei test di potenza che richiedono ambienti controllati, come camere anecoiche, le misure di intensità sonora possono essere fatte ovunque.

Cos’è il Livello di Esposizione Sonora?

Band playing electric guitar

Il livello di esposizione al suono (SEL) è una misura che quantifica sia il livello del suono ricevuto, sia la durata dell’esposizione allo stesso. La durata assume particolare valenza, poiché le persone possono sopportare determinate frequenze ed ampiezze a valori elevati per brevi periodi, ma tempi di esposizione più lunghi possono portare a danni o perdita dell’udito. Suoni a 90 dB ed oltre sono considerati dannosi per l’uomo.

SEL è l’integrale (nel tempo) del quadrato della pressione sonora.

SEL=Pa2⋅s (Pascal secondo quadrato)

Cos’è il Livello Sonoro?

Il livello sonoro è una definizione generica che può basarsi su uno o più dei modi che usiamo per misurare il suono, includendo:

  • Sound Pressure Level
  • Sound Intensity Level
  • Sound Power Level
  • Sound Exposure Level

Il livello del suono è normalmente misurato con uno strumento chiamato fonometro. Per tutti i tipi di misura appena elencati si rimanda a quanto appena descritto in questo articolo.

Cos'è la qualità sonora?

La misura della qualità sonora fornisce una oggettiva valutazione di come i suoni prodotti dalle macchine sono percepiti dall’orecchio umano. Con queste misure, i progettisti possono migliorare e ridefinire i suoni prodotti dai loro apparati in modo da renderli meno fastidiosi per l’utilizzatore e quanti gli stanno intorno.

Measuring sound quality on car exhaust

Sebbene la percezione umana del suono sia soggettiva, è possibile effettuare misure oggettive del suono tramite una serie di indici della qualità del suono stesso, tra cui:

Loudness Calcolo secondo  ISO 532-1 e ISO 532-2: Acustica- Metodi per il calcolo del volume - Metodo Zwicker e  metodo Moore-Glasberg. Il volume è misurato in decibels (dB)
Sharpness Viene calcolata partendo dalla Loudness, che viene determinata secondo gli standard ISO 532-1 and ISO 532-2. La nitidezza è una determinazione psicoacustica che fornisce una valutazione numerica basata sul numero di alte frequenze contenute nel suono. “acum” è la sua unità di misura, dove 1 acum corrisponde a una nitidezza di un rumore a banda larga centrato su 1 kHz, con una larghezza di 1 banda critica e un livello di 60 dB.
Noise Criterion (NC) Misura usata negli Stati Uniti per valutare le fonti di rumore interne
Noise Rating (RC) Misura usata in Europa per valutare le fonti di rumore interne
Speech Intelligibility Misura che fornisce la valutazione della percezione del parlato
Articulation Index, extended E’ una ulteriore valutazione di percezione del parlato, quando si è in presenza di altri  suoni
Normal equal-loudness level contours Le curve  isofoniche di uguale intensità sono calcolate in accordo con standard ISO 226
Prominence ration La determinazione dei rumori esterni prodotti dalle attrezzature informatiche e telecomunicazione viene effettuata secondo lo standard ISO 7779.

I test sulla qualità del suono sono un aspetto importante per quei costruttori che vogliono valutare e migliorare i suoni generati dai loro prodotti. L’obiettivo è di renderli più confortevoli per l'utilizzatore, migliorandone l’impatto sonoro. Questi test sono usati nei seguenti campi:

  • Rumore in campo automobilistico, Vibrazionie Harshness (NVH), per componenti automobilistici.
  • Dispositivi audio tra cui altoparlanti, microfoni, amplificatori, cuffie, strumenti musicali.
  • Elettrodomestici ed apparecchi  da giardino, ad esempio tosaerba, lavastoviglie, frigoriferi, computer, sistemi HVAC (condizionatori, ventilatori etc.)

Detti test sono usati dai dipartimenti R&D (Ricerca e Sviluppo) per:

  • Confronti con la concorrenza e migliorie del prodotto
  • Finalizzazione dei target da raggiungere
  • Modelli e simulazioni
  • Previsioni
  • Progettazione reattiva
  • Test per identificazione problemi
  • Validazione dei prodotti

Come misurare la frequenza di un suono?

Uno dei modi fondamentali e più efficaci per identificare e misurare le frequenze contenute in un suono è la Fast Fourier Transform  (trasformata di Fourier) comunemente abbreviata come FFT. 
L'analisi FFT è un insieme di algoritmi che converte una serie di dati registrati in dominio del tempo, in dati nel dominio della frequenza.
 I sistemi DAQ (Data Acquisition) registrano abitualmente suoni e rumore tramite microfoni ed il software FFT esegue la trasformazione di dati registrati in dominio del tempo a dati nel dominio della frequenza. Questa conversione può essere fatta sia in tempo reale che in post-processing.

Tramite analisi FFT è possibile analizzare molte caratteristiche che non si sarebbero potute identificare con sole analisi di dati basati sul dominio del tempo. I segnali analizzati nel dominio della frequenza permettono di discriminare le multiple frequenze, e relative ampiezze, che compongono il  segnale stesso, mentre il segnale nel dominio del tempo permette solo di visualizzare una curva-forma che contiene la somma di tutte le frequenze/ampiezze che compongono il segnale stesso (overall signal). 

A time signal consisting of sinusoidal components (left) is converted via FFT algorithms to the frequency domain (right)Nella figura qui sopra: a sinistra, il segnale di overall modulato da diverse frequenze; al centro la scomposizione del segnale nelle varie frequenze modulanti; a destra  il risultato della FFT  del segnale analizzato nel dominio della frequenza.

In un tipico grafico nel dominio del tempo sull’asse verticale è riportata l'ampiezza del segnale, e sull’asse orizzontale è riportato il tempo; si può quindi vedere come l’ampiezza cambia in funzione del tempo.

I grafici nel dominio del tempo sono utili ed essenziali per molteplici analisi, ma non ci danno informazioni sulle specifiche frequenze che modulano segnali complessi. Con l’analisi FFT, invece, l’asse verticale identifica l’ampiezza e l’asse orizzontale identifica la frequenza associata.

Con riferimento al grafico sottostante, possiamo vedere che l’asse delle frequenze riporta un range da 0 a 10 kHz, da sinistra a destra. 
A 1200 Hz è identificato un picco con ampiezza elevata, ed a 3750 Hz è identificato un altro picco, ma con ampiezza inferiore. 

Il classico grafico FFt è la rappresentazione grafica ed universalmente usata per identificare le frequenze, e relative ampiezze,  che compongo un segnale.
In molti sistemi DAQ usati per misure del suono, sia l’asse verticale (ampiezze) che orizzontale (frequenze) possono essere sia in scala lineare, come nel grafico sottostante, sia in scala logaritmica, e la scelta del tipo di scala deve essere fatta per ottimizzare la visualizzazione dei dati  in funzione delle varie applicazioni. 

Graph presenting frequency domain spectrum of a sound pressure signal measured in a noisy environmentEsempio di analisi di spettro nel dominio della frequenza di un segnale di pressione del suono, misurato in ambiente rumoroso. Lo spettro identifica le componenti tonali alle specifiche frequenze.

Poiché il tempo non è rappresentato nei classici grafici FFT, questo grafico è il risultato di quanto misurato in un determinato periodo di tempo, ma in quale momento e per quanto tempo? 
Fondamentalmente l’analisi FFT considera un certo intervallo temporale (ovvero la successione dei campioni acquisiti con una certa velocità di lettura), ne analizza il contenuto in frequenza e poi lo diagramma. L’intervallo temporale considerato è chiamato “finestra di osservazione” ed è uno dei parametri a disposizione dell’analista tra i vari settaggi messi a disposizione del sistema di acquisizione.

I sistemi DAQ come quelli realizzati da Dewesoft includono potenti strumenti di analisi FFT integrati direttamente nel software. I cursori, inclusi i cursori armonici, possono essere utilizzati sui grafici per fare clic direttamente sui picchi e leggere i loro valori esatti. Possono essere visualizzati anche canali matematici che mostrano automaticamente i valori di picco.

Esiste anche un modo di presentare il TEMPO in un grafico FFT, aggiungendo un terzo asse. Questo grafico 3D, conosciuto anche come “grafico waterfall” (analisi in cascata, ovvero sequenziali) identifica frequenza, ampiezza e tempo, usando, a volte, anche una scala cromatica per facilitare la lettura. 

Example of FFT analysis over multiple instances of time illustrated in a 3D displayEsempio di analisi FFT, effettuate a cascata, in periodi sequenziali di tempo e rappresentati in un diagramma 3D. L’analisi di spettro in funzione del tempo mostra  le misure registrate su un compressore e riporta  frequenze ed ampiezze dominanti nel periodo di registrazione.

Three different representations on DewesoftX displayNel grafico qui sopra,  è presentata una tipica visualizzazione del software DewesoftX, che riporta: FFT waterfall vs. segnale di riferimento, Overall RMS vs segnale di riferimento e le relative armoniche modulanti nel dominio del tempo.

Ci sono molti altri approfondimenti che possono essere fatti sulle analisi FFT, ma vanno oltre lo scopo di questo articolo. Questi aspetti includono la risoluzione spettrale, l’identificazione delle ampiezze, le finestre di risoluzione delle forzanti, i concetti di valore mediato, la sovrapposizione dei periodi di analisi ed altro ancora.  Si consiglia di fare riferimento all’articolo sottostante per informazioni più dettagliate.

Cos’è un microfono?

Al di là di quelle che sono le più comuni applicazioni legate all’intrattenimento od a pubbliche presentazioni, i microfoni sono degli strumenti usati per misure specifiche in campo scientifico ed industriale. In sintesi, un microfono è un sensore, o trasduttore, che converte il suono (energia acustica) in energia elettrica, che possiamo amplificare, registrare, visualizzare,  ed altro ancora.

Come per altri sensori, ci sono diverse tipologie di microfoni usati per misurare suoni e rumori, questo perché ci sono tante applicazioni ed ambienti diversi dove queste misure devono essere effettuate, come descriveremo nel prosieguo di questo articolo.
 
 Per andare incontro a richieste specifiche di ingegneri e progettisti coinvolti in test acustici, i produttori di microfoni hanno creato una vasta gamma di questa tipologia di sensori per soddisfare tutte  le varie esigenze.

I sensori utilizzati per misure scientifiche od industriali del suono sono classificati come sensori microfonici, trasduttori microfonici o fonometri.

Come funziona un microfono?

AUn microfono è un trasduttore che converte l’energia del suono in energia elettrica. Ci sono diversi tipi di microfono, che lavorano in diversi modi, ma dovremmo iniziare con il classico microfono dinamico che è stato inventato più di 100 anni fa.

Dynamic Mic Arne NordmannMicrofono dinamico di Arne Nordmann (norro), CC BY-SA 3.0 Wikimedia Commons

  1. Una sottile membrana risuona in risposta alla onde di pressione sonora che la investono.
  2. Una bobina ad essa collegata si muove avanti ed indietro in sintonia con le onde ricevute e tramite un magnete genera una variazione di corrente elettrica.
  3. Un magnete permanente crea un campo magnetico che viene indotto nella bobina.
  4. La corrente generata è una “riproduzione” del suono ricevuto. Detta corrente può essere amplificata, convertita in segnale digitale per poter essere visualizzata, analizzata in tempo reale e  registrata per poter poi essere analizzata anche in tempo differito (post-processing).

Il tipo di trasduttore microfonico appena descritto è tipicamente definito microfono dinamico. Si fa notare che se si dovesse utilizzare questo trasduttore in senso contrario, ovvero immettendo un segnale elettrico all’uscita, sarebbe la bobina a far muovere la membrana e se le dimensioni della stessa fossero adeguatamente aumentate, muoverebbe l’aria tanto da creare un suono: ovvero abbiamo appena realizzato un altoparlante … che è semplicemente un microfono che lavora al contrario!

Quali sono le principali categorie di microfoni?

Microphone

Le tre principali categorie di microfono, ad oggi, sono:

  • Microfoni dinamici che si basano sull’induzione magnetica, dove il movimento di una membrana collegato ad una bobina, avvolta ad un magnete permanente, converte la pressione sonora  in energia elettrica. Una variante di questo trasduttore è il microfono a nastro/lamina, che utilizza una sottile lamina metallica come membrana. I microfoni dinamici sono tipicamente usati nel campo musicale, intrattenimento, trasmissioni e pubblico utilizzo.
  • Microfoni a condensatore che si basano  sulla variazione capacitiva; la membrana è collegata ad una piastra  capacitiva, che trasforma la pressione sonora in segnale elettrico. Questo trasduttore è comunemente usato in campo scientifico.
  • Microfoni piezoelettrici, anche questi basati sulla “variazione capacitiva”, ma utilizzano un materiale cristallino, esempio il quarzo, anziché la piastra capacitiva e sono abitualmente usati in campo scientifico e misura del suono.

Dal momento che nella misura del suono e nelle applicazioni scientifiche i microfoni maggiormente usati sono quelli a condensazione e piezoelettrici,  è su questi che ci focalizzeremo in questo articolo.

Microfoni a condensatore

Uno dei microfoni più comuni per la misura del suono è quello a condensatore. Questi microfoni si basano su una sottile lamina metallica, che ha la funzione di elettrodo anteriore, posta in prossimità di una piastra, anch’essa metallica, che funge da elettrodo posteriore: lamina e piastra sono quindi gli elettrodi di un condensatore.
Quando la pressione sonora li sollecita, la capacità tra lamina e piastra o posteriore cambia: questa variazione si trasforma in un output in corrente AC che può essere amplificata, misurata, digitalizzata, registrata ed analizzata, sia in real-time che in post-processing.

Typical condenser mic designTipico schema di microfono a condensatore

I microfoni a condensazione hanno bisogno di alimentazione elettrica per funzionare. Questa può essere fornita in due modi, in funzione  della tipologia di mic:

  • Polarizzazione Esterna. Questi microfoni sono alimentati a 200 V con un alimentatore dedicato che normalmente utilizza un connettore 7-pin LEMO o similare.
  • Mic Prepolarizzati. Questi microfoni non necessitano alimentazione a 200V, e sono conosciuti anche come microfoni electret e sono prepolarizzati in modo permanente  per mezzo di un materiale dielettrico, usato per fungere da membrana oppure altrove collocato all’interno della capsula. Questi mic, tuttavia, necessitano di un’alimentazione di corrente costante come quella richiesta da un tipico accelerometro IEPE, alimentazione chiamata anche “phantom power.” Poiché questa corrente DC può essere veicolata senza interferenze, questi microfoni richiedono un comune connettore a 2-pin,  tipo BNC.

I microfoni a condensazione sono disponibili in diverse misure di diametro: 1 inch, ½ inch, ¼ inch, o ⅛ inch. Quelli più grandi sono più sensibili e sono in grado di misurare inoltre segnali con più bassi contenuti in frequenza.

Microfoni Piezoelettrici

Questi microfoni lavorano in modo simile agli accelerometri piezoelettrici IEPE; si basano sulla caratteristica tipica di alcuni materiali cristallini, come ad esempio il quarzo, che li porta a generare una carica variabile quando meccanicamente sollecitati, sottoposti ad un’accelerazione o, come nel nostro caso, investiti da una pressione sonora.
 Un piccolo amplificatore interno converte ed amplifica questo segnale di carica in un segnale in tensione, poi indirizzato ad un condizionatore di segnale IEPE.

Typical piezoelectric mic designSchema di tipico microfono piezoelettrico

I condizionatori di segnale IEPE forniscono l’alimentazione di corrente costante richiesta dal piccolo amplificatore all’interno dei microfoni piezoelettrici.

E’ meglio il microfono a condensatore o piezoelettrico?

I microfoni a condensatore o piezoelettrici hanno differenti peculiarità: ad esempio, quelli a condensatore hanno un livello di rumore di fondo molto inferiore rispetto ai piezoelettrici,  per contro i piezoelettrici possono resistere a livelli di pressione sonora molto più elevati. Possono quindi essere usati in prove di sparo ed altre applicazioni con elevati valori di suono e rumore. Nessuna delle due tipologie di microfono può quindi essere considerata la migliore, ma si può solo dire che hanno campi di applicazione differenti.

  Microfoni a condensatore Microfoni Piezoelettrici
  Prepolarizzati Polarizzazione Est.  
Range Dinamico Eccellente Eccellente Buono
Campi applicativi con elevate ampiezze (prove d’urto, prove di sparo) Buono Buono Eccellente
Applicazioni ad elevate temperature Buono Ottimo Buono
Applicazioni con elevata umidità Ottimo Buono Buono
Cablatura Connessione IEPE 2-cavi, connettore BNC Connessione 7 cavi, richiesta alimentazione esterna 200V, Lemo Connessione IEPE 2-cavi, connettore BNC
Costo Costo inferiore rispetto alla polarizzazione esterna Costo superiore rispetto ai prepolarizzati Simile ai prepolarizzati con condensatore

Confronto macroscopico tra microfoni a Condensatore e Piezoelettrici.

Tipi di microfono speciali

Idrofoni

A hydrophone installed on the ocean floor
Microfono idrofonico installato su un fondale oceanico. Immagine rilasciata da NOAA, the US National Oceanic, and Atmospheric Administration

YNon possiamo prendere un normale microfono ed installarlo nell’acqua, in quanto si potrebbe danneggiare o addirittura rompere.
Per installazioni subacquee, i produttori offrono microfoni specifici  definiti “idrofonici”. Questi apparati sono resistenti alla corrosione e sono progettati per essere immersi in acqua in modo permanente. Vengono usati per molteplici scopi industriali, scientifici e militari.

Le onde sonore viaggiano 4,3 volte più veloci nell’acqua che nell’aria. Siccome l’acqua ha una densità superiore all’aria, un dato suono esercita molta più pressione  in acqua che in aria. I microfoni idrofonici sono espressamente realizzati per lavorare in questo ambiente.

I microfoni idrofonici sono disponibili sia come unidirezionali che omnidirezionali. E’ anche possibile usarli in serie (array) per molteplici applicazioni, compresa la “ beamforming”, una tecnica analitica di modellamento dell'irraggiamento sonoro nello spazio.
Poiché la pressione sott’acqua aumenta con la profondità, bisogna sempre valutare che il microfono scelto sia progettato per la profondità richiesta.

Array Microphones / Microfoni in serie

Array microphone positioned to record train passing soundSerie di microfoni posizionati per misurare i suoni prodotti da un treno in corsa.  Image © Bruel & Kjaer

Come suggerisce il nome, array microphones (aka "microphone arrays) identifica una serie di microfoni disposti secondo un certo schema. Essi sono tendenzialmente usati per effettuare misure tridimensionali del suono. Questi sistemi si possono ad esempio basare su due microfoni per misurare perdite di efficacia di apparecchi acustici, sino a più di 100 microfoni  usati per beamforming ed applicazioni di olografia acustica.

I sistemi di “array” microfonici sono usati per una molteplicità di applicazioni che includono:

  • Test di turbine
  • Passaggio di treni ed auto
  • Rumori industriali
  • Olografia
  • Rumorosità interna di auto ed aerei
  • Prove motori
  • Mappatura della pressione sonora
  • Beamforming
  • Apparecchiature elettromedicali
  • Galleria del vento per auto, aerei etc.

Microfoni MEMS 

Se si sta leggendo questo articolo con un notebook, tablet o smartphone, ci sono buone probabilità che ci sia un microfono MEMS (micro-electromechanical system) all’interno di questo apparato. I microfoni MEMS possono avere dimensioni  anche inferiori a 3 x 2 x 1 mm, che tradotto in pollici è ⅛ inch sul lato maggiore.

La maggior parte dei microfoni MEMS è costituita da una membrana sensibile alla pressione sonora che è “incisa” direttamente nel silicio. Generalmente sono presenti anche un preamplificatore ed un sistema ADC che converte il suono da segnale analogico a digitale. In origine i microfoni MEMS erano principalmente del tipo a condensatore, ma ora sono disponibili anche modelli piezoelettrici.

Oltre che su computer, telefoni e tablet questi microfoni sono utilizzati anche per dispositivi “indossabili” (esempio per monitorare prestazioni di atleti), droni, sistemi IoT (sistemi di telegestione) ed altro ancora.

Sonde di Intensità Sonora

Le sonde di intensità sonora sono una tipologia di microfono usata appunto per misurare l’intensità del suono, definita precedentemente in questo articolo.

Sound intensity probeSonda per misura di intensità sonora - modello 50-AI-C. Image © Gras Instruments

La maggior parte delle sonde di intensità sonora utilizza una coppia di microfoni distanziati tra loro e calibrati in fase. Queste sonde sono utilizzate per mappare l’intensità sonora in un’area ed individuare la sorgente del suono. Spesso queste sonde sono fornite su pali che vanno opportunamente posizionati nella zona di misura. Spostando il sistema di misura nell’area interessata è possibile misurare e mappare l’intensità del suono e la potenza sonora secondo gli standard di misura IEC 61043 e IS0 9614-1.

Come scegliere il Microfono più idoneo

Come per qualsiasi altro tipo di sensore, è il tipo di applicazione o situazione che determina la scelta del microfono più idoneo. Nel campo della misura del suono , è più frequente che sia l’ambiente a determinare la scelta e la configurazione del microfono. 

L'ambiente di misura viene frequentemente definito response field. Quando si sente parlare di microfoni che operano in “free field” oppure “pressure field” , ci si riferisce al campo di risposta in cui verranno utilizzati. Più avanti verrà spiegato cosa questo significa.

In aggiunta alla scelta del microfono più idoneo agli specifici scopi, è inoltre necessario identificare alcuni requisiti, come la larghezza di banda ed il valore massimo di SPL (Sound Pressure Level) che il microfono dovrà sopportare.

Se l’ambiente di misura è molto caldo o freddo, o si è in presenza di umidità elevata, si dovranno controllare le idoneità sia del microfono che dei relativi condizionatori di segnale ad operare in queste tipologie di ambiente. In generale si può dire che i microfoni a condensatore sono meno idonei ad operare negli ambienti precedentemente elencati, rispetto ai microfoni piezoelettrici. Tuttavia esistono produttori che offrono microfoni a condensatore utilizzabili anche in ambienti estremi.

Microfoni Free-Field (Campo Libero)

I microfoni free-field sono pensati per essere usati in ambienti privi di riflessioni, come all’aperto, oppure in camere anecoiche. Sono progettati per misure di variazione di pressione sonora, in aria libera, e che generalmente hanno origine da una sola sorgente sonora. Detti microfoni sono comunemente direzionati verso la sorgente stessa.

I microfoni free-field misurano la pressione sonora in un ambiente dove anche il  microfono stesso è come se non fosse presente. Ovviamente qualsiasi oggetto nel campo di misura può creare disturbi e questo succede quando le lunghezze d’onda delle frequenze si avvicinano alle dimensioni del microfono.

Typical free-field microphoneTipico microfono free-field

I campi di applicazione dei microfoni free-field includono:

  • Passaggio di automezzi ed altre misure di rumore esterno.
  • Test di altoparlanti.
  • Test in ambienti dedicati, lavatrici, lavastoviglie, frullatori ed altri elettroutensili o beni di consumo.
  • Riduzione dei problemi operativi legati ad eccessive vibrazioni o rumori.
  • Monitoraggio rumore eterno.

Microfoni Pressure Field

I microfoni pressure-field (campo di pressione) misurano la pressione del suono che viene rilevata dalla membrana del mic. Talvolta questi microfoni sono posizionati su una parete, un un elemento di giunzione, una parete divisoria, in un ambiente delimitato e consentendo di misurare la pressione del suono sulla parete o sulla superficie circostanti. Questi microfoni si trovano in quasi tutte le applicazioni per test di simulatori auricolari.

Typical pressure-field microphoneTipico microfono pressure-field

I microfoni pressure-field sono tipicamente progettati per avere una una frequenza in risposta molto piatta. Di conseguenza, sono spesso usati in applicazioni che richiedono questo tipo di risposta.

I test per i quali sono usati i microfoni pressure-field sono tipicamente:

  • Test che simulano l’orecchio umano
  • Misure della pressione sonora sulla fusoliera di aeromobili.
  • Misura della pressione del suono su pareti e cavità.
  • Misura della pressione del suono di tubi ed altre strutture.

Microfoni Random Incidence (Campo diffuso)

I microfoni "random incidence” (conosciuti anche come “diffuse field”) sono di tipo omnidirezionale e sono costruiti per ambienti dove il suono può provenire da più sorgenti e da ogni direzione. Questi ambienti sono altamente riflettenti, esempio tipico sono le camere di riverbero. Questi microfoni sono progettati per rispondere in modo uniforme  ad una pressione sonora che proviene in modo simultaneo da tutte le direzioni.

Typical random incidence microphoneTipico microfono random incidence

I microfoni "random incidence” sono usati in test per:

  • Acustica di stanze, auditorium e teatri.
  • Test di rumore in cabina passeggeri di automezzi ed aerei.
  • Test sugli elettro apparati in ambiente domestico.
  • Test di rumore ambientale.
  • Ideale per ambienti sonori di media ed alta ampiezza.

Specifiche base di un microfono

Risposta dinamica

L’orecchio umano può sentire suoni sino a 20 milionesimi di Pascal. Dal momento che questa unità di misura non è molto pratica, nella quotidianità è normalmente usata una scala logaritmica in dB (dB), in aggiunta va anche detto che anche l’orecchio umano è di natura “logaritmica”. 

  Pascal value     Decibel (dB) value
Threshold of human hearing 0.00002 Pa 0 dB
Typical office ambient noise 0.02 Pa 60 dB
Typical factory ambient noise 0.2 Pa 80 dB
Jackhammer in operation 2 Pa 100 dB
Jet engine take-off 20 Pa 120 dB
Threshold of pain 200 Pa 140 dB

La scala in decibel (dB) prende il nome dallo scienziato scozzese Alexander Graham Bell, inventore anche di telefono ed audiometro.

I microfoni sono classificati in base al livello massimo di pressione che possono sopportare prima che la membrana raggiunga la sua massima deformazione, entrando in contatto con la piastra retrostante, oppure quando la distorsione armonica totale (THD- Total Harmonic Distortion) raggiunge uno specifico valore del suo range, come per esempio il 3%. 

I costruttori spesso specificano anche il suono più piccolo che il microfono può rilevare. Questo a volte è identificato con CTN (Cartridge Thermal Noise) che quantifica il valore più piccolo che il microfono può misurare oltre il normale rumore elettrico del circuito di acquisizione.

I microfoni con membrana più grande hanno normalmente un rumore di fondo maggiore rispetto a quelli con membrana più piccola.

Risposta in Frequenza

La larghezza di banda è sempre una caratteristica molto importante quando si parla di qualunque tipo di trasduttore o sensore. La larghezza di banda, o risposta in frequenza, di un microfono viene misurata tra il suo CTN ed il livello massimo di pressione sonora che lo stesso può sopportare. Quando si consultano le specifiche costruttive di un mic, occorre sempre prestare molta attenzione alle tolleranze oltre che ai valori indicati di risposta in frequenza. Detta tolleranza è normalmente espressa in decibels, come, ad esempio, ±2 dB o simile.

Rapporto tra Segnale Rumore

Il rapporto tra il segnale “desiderato/buono”” e quello indesiderato/rumore è identificato come SNR (Signal-to-Noise Ratio) e detto valore è espresso in dB. Se il valore di SNR è maggiore di 1 significa che il segnale è maggiore del rumore.

SNR = Psignal / Pnoise

Dove:

P = average power

Diagramma Polare

Il diagramma polare di un microfono identifica quanto questo sia sensibile ai suoni provenienti da diverse direzioni rispetto al suo asse. Il microfono può essere progettato per essere più sensibile ai suoni provenienti dalla parte anteriore, per dare più rilevanza a questa direzione, piuttosto che ai suoni provenienti da dietro o dai lati (esempio, una cornetta telefonica).  I modelli più comuni sono:

Microfoni omnidirezionali.

I microfoni omnidirezionali sono progettati per la misura di suoni provenienti indistintamente da tutte le direzioni. In termini pratici questo non è possibile a causa delle capacità fisiche di ogni microfono ed anche dal fatto che il microfono stesso è all’interno del campo di misura, ma i microfoni omnidirezionali sono quelli che forniscono le migliori prestazioni ed una misura più realistica possibile della pressione sonora.

Omnidirectional polar pattern microphone
Diagramma polare di microfono omnidirezionale, Wikimedia Commons - attribution

Microfoni unidirezionali (noti come microfoni cardioidi)

Devono il loro nome alla “forma a cuore” a cui  assomiglia il loro diagramma polare; i microfoni cardioidi sono usati per la misura di suoni provenienti principalmente dalla parte anteriore del mic. Ci sono diverse varianti  del microfono cardioide, come ipercardioide, supercardioide e subcardioide. Facendo riferimento ai diagrammi polari che seguono, si può vedere come questi misurano prevalentemente la sezione frontale,  ma con alcune varianti:

Cardioid, Supercardioid, Hypercardioid patterns
Da sinistra a destra: diagrammi polari - Cardioide, Supercardioide, Ipercardioide, Wikimedia Commons - attribution

Ci sono altri mic, ad esempio i bidirezionali conosciuti anche come “figure of 8” dalla forma del loro diagramma polare, che sono usati per misurare suoni provenienti sia dalla parte anteriore che posteriore del mic, ed altri tipi ancora.

Applicazioni di Misura del suono

There are hundreds of applications for measuring sound and noise. However, there are some very popular ones in common use across many industries. At the highest level, there is a group of tests called NVH, which stands for Noise, Vibration, and Harshness. Una delle tipologie di test di maggior diffusione è quella identificato con NHV. 

Applicazioni NVH (Noise, Vibration, and Harshness)

NVH applications

Sebbene i test NVH si applichino ad un’ampia varietà di macchine, dal tosaerba alla betoniera, questi test sono più strettamente collegati al mondo automobilistico. Se si passa da un’autovettura di segmento basso/medio ad un’altra di segmento elevato si percepisce un “ambiente” qualitativamente migliore. Chiudendo la portiera di un’auto di lusso ci sembra di bloccare la maggior parte dei suoni all’esterno, ed il motore, nonostante la maggiore potenza, viene appena percepito; cigolii e rumori vari sono praticamente inesistenti.

Questa piacevole sensazione di comfort acustico è il risultato di innumerevoli ore di collaudi, progettazione, test, e modifiche correttive messe in atto da un team di ingegneri e progettisti. Microfoni ed altri sensori sono usati per misurare suoni e vibrazioni trasmessi sia all’interno che all’esterno dell’auto, e questo sia in test su strada che all’interno di camere anecoiche. In base a tutti questi test gli ingegneri rivedono il progetto di base, ed a volte i materiali costruttivi sino a raggiungere un livello di insonorizzazione adeguato alle aspettative: questo “confort” deve essere verificato in tutte le condizioni di guida ed utilizzo dell’auto.

L’Harshness (ruvidezza) è più difficile da quantificare, perché è una sensazione di “fastidio” che può dipendere dai suoni/rumori e dalle vibrazioni o dalla combinazione di entrambe e  dipende da quanto questi fattori siano “uncomfortable” per l’utilizzatore.

Ci sono diversi tipi di test NHV fatti sulle auto, camion e bus, sia all’interno della cabina di guida che all’esterno. Ad esempio:

  • Test dei rumori in frenata
  • Test del passaggio rumore esterno
  • Test rumore motore
  • Test rumori trasmissioni/alberi di potenza
  • Test rumori impianti di scarico
  • Test su motori elettrici ed ibridi
  • Test Rumore aerodinamico
  • Wind Noise Testing
  • Test per identificare ronzii, cigolii etc
  • Test rumori interni/insonorizzazione
  • Test rumori su strada

Rumore sul lavoro & Rumore ambientale

Industry looking celing with tubes and clock

L’esposizione delle persone al rumore sul posto di lavoro è un problema molto sentito ed è inoltre direttamente collegato alla salute. Detto aspetto è quindi regolamentato in USA, Europa e molte altre parti del mondo. Questa tipologia di suoni e rumori viene misurata in molte applicazioni, includendo:

  • Test del rumore urbano
  • Test del rumore sul posto di lavoro ed in fabbrica
  • Test di acustica della stanza/ufficio
  • Test sul rumore aeroportuale
  • Test del livello sonoro nei concerti musicali

Elettroacustica

Man speaking and having headphones on head

  • Test del suono del telefono - Cablato, Wireless e vivavoce
  • Test apparecchi acustici
  • Test di altoparlanti (std ed “intelligenti”)
  • Test su cuffie - Cablate e wireless

Analisi sulle Macchine

Quando si pensa di prevedere, prevenire o diagnosticare le avarie di una macchina, normalmente si pensa a misurare vibrazioni o temperature, ma anche il rumore è un importante indicatore della “salute” della nostra macchina. Macchine che sono sbilanciate, per esempio,spesso evidenziano questo problema con il cambio di rumore. Se avete sentito qualche volta il rumore prodotto da un’ asciugatrice con carico interno mal  bilanciato è facile capire cosa significhi “rumore da sbilanciamento”.

  • Test di vibrazione della macchina
  • Monitoraggio delle condizioni
  • Test di manutenzione predittiva
  • Rilevamento di perdite di gas od acqua

Identificazione delle fonti di rumore

Airplane on the ground

Molte volte non è sufficiente capire quanto rumore c’è in un determinato posto, ma è anche necessario capire da dove quel rumore proviene.
Quale componente o sistema sta generando quel rumore e perché? Per sapere ciò un sistema (array) di microfoni è la soluzione ottimale, poiché permette di creare una rappresentazione tridimensionale dell’area in esame e mappare tutte le sorgenti di rumore.

Si immagini un vagone della metropolitana che passa accanto ad una postazione di microfoni: forse le ruote od i freni stridono, il contatto elettrico (shoe/scarpa) striscia sulla terza rotaia e fa rumore, o il pantografo sta strisciando sui cablaggi elettrici sovrastanti. Ebbene, per oggetti in movimento, come in questo caso, il beamforming software, citato in precedenza in questo articolo, aiuta a creare una mappatura 3D in funzione del tempo che permette di analizzare simultaneamente tutte le sorgenti di rumore.

A volte  i sistemi microfonici, chiamati anche telecamere acustiche, possono essere a livello micro ed usati per i test su apparecchi acustici, oppure a livello macro quando usati su macchine più grandi (generatori, troncatrici, treni, auto ed aerei) o addirittura su un’intera fabbrica. 

A seguire alcuni campi di applicazione:

  • Analisi delle fonti di rumore dei sistemi di trasporto-Aeroporti, Metro, Ferrovie, Stazioni Autobus
  • Test acustici in galleria del vento Aerospaziale e Automobilistico
  • Olografia acustica
  • Mappatura dell’intensità sonora
  • Test di rumorosità del motore
  • Test del rumore in cabina
  • Rilevamento perdite di gas in Ospedali
  • Rilevamento perdite aria compressa

Moduli di Misura del Suono Dewesoft

Dewesoft offre una varietà di sistemi DAQ di fascia alta per la misura di suoni e vibrazioni. Ecco una breve panoramica:

Sistemi SIRIUS DAQ 

Serie DualCoreADC

SIRIUS® DualCoreADC® - Questi sistemi usano due ADCs a 24-bit per canale permettendo di acquisire un’incredibile gamma dinamica di 160dB, sia nel dominio del tempo che della frequenza. Una frequenza di campionamento fino a 200 kS/sec per canale ed il filtro integrato anti-aliasing permette di avere una larghezza di banda di più di 70 kHz senza aliasing. Tutti i canali sono galvanicamente isolati , impedendo interferenze, rumore e problemi di messa a terra.

Serie High-Density 

Con un convertitore ADC a 24-bit per canale, i sistemi SIRIUS HD mantengono alte prestazioni dinamiche e offrono il doppio dei canali per scheda: 16 invece di 8. 

Serie High-Speed

Usando la tecnologia ADC SAR a 16 bit, i sistemi SIRIUS HS forniscono un campionamento fino ad 1 MS/sec per canale e 8 canali per scheda.

Serie Extra High-Speed

I sistemi SIRIUS XHS fanno parte della nuova generazione di sistemi DAQ. Ogni canale può campionare fino a 15 MS/sec. Quando il campionamento è 1 MS/sec o inferiore la risoluzione è a 24-bit, sopra ad 1 MS/sec la risoluzione scende a 16-bit. Impressionante è il fatto che ciascun canale può essere impostato su qualsiasi frequenza di campionamento e modalità di misurazione, ma tutti i segnali rimangono comunque sincronizzati.

SIRIUS ACC - Amplificatori per Accelerometri e Microfoni

 SIRIUS ACC può essere configurato con un’ampia varietà di amplificatori per poter gestire praticamente qualsiasi segnale e qualsiasi sensore, permettendo quindi, come sistema,  acquisizioni che vanno ben oltre le misure del suono e delle vibrazioni.

Gli amplificatori ACC sono progettati per gestire sensori IEPE, tra cui accelerometri, microfoni piezoelettrici e microfoni a condensatore prepolarizzato; questi forniscono la potenza di corrente costante  richiesta da questi sensori.
 Un amplificatore ACC è disponibile per tutti e quattro i tipi di mainframe SIRIUS:

ACC Amp SIRIUS DualCoreADC SIRIUS HD
(High Density)
SIRIUS HS
(High Speed)
SIRIUS XHS
(eXtra HS)
Connector BNC BNC BNC BNC
Max. channels/
slice
8 16 8 8
Max. sample rate 200 kS/s/ch 200 kS/s/ch 1 MS/s/ch 15 MS/s/ch
Resolution 24-bit 24-bit 16-bit 24-bit up to 1 MS/s, then 16-bit
Dynamic range -140 dB 
(-160 dB @ DualCore)
-137 dB 
(@ 10 kS/s)
-89 dB 
(±10V @ 100 kHz
up to 150 dB @ 1 MHz
Bandwidth ~ 76 kHz ~ 76 kHz 500 kHz 5 MHz
Voltage ranges ±200 mV to ±10 V
Input coupling DC or 
AC 0.1 Hz, 1 Hz
DC or 
AC 0.1 Hz, 1 Hz
DC or 
AC 1 Hz
DC or 
AC 0.1 Hz, 1 Hz
IEPE sensor power 2, 4, 8, 12, 16 or 20 mA 4, 8, or 12 mA 4 or mA 2, 4, 8, 12, 16 or 20 mA
Isolation 1000 V
Counter option Yes, accepts encoders, tach and pulse sensors, and more. Ideal for order tracking, torsional and rotational vibration, and more.
More functions TEDS interface, built-in sensor database
Automatic sensor error detection
Sensor Compatibility Prepolarized condenser mics, piezoelectric mics, externally polarized mics with an external power source
IEPE accelerometers

Si noti che gli amplificatori SIRIUS ACC sono compatibili con tutti i principali tipi di mic, incluso il supporto nativo per condensatore prepolarizzato e microfoni piezoelettrici. I microfoni a condensatore non prepolarizzato possono essere utilizzati solo se hanno una fonte di alimentazione esterna.

Sistema SIRIUS MIC200 

SIRIUS MIC200 System

Il SIRIUS MIC200 è un sistema DAQ SIRIUS a 8 canali ad alte prestazioni che è stato appositamente configurato per microfoni a condensatore con polarizzazione esterna. Utilizza condensatori LEMO a 7 pin per fornire i 200 V di alimentazione che richiedono questi mic. Il SIRIUS MIC200 è progettato per l’accurata misura di segnali ad elevata ampiezza, con elevata stabilità termica nel tempo.

SIRIUS MIC200 - Caratteristiche

  • Elevato Range Dinamico: la tecnologia DualADC garantisce fino a 160 dB di range dinamico.
  • Elevato campionamento: 200 kS/sec permettono di supportare microfoni ad alta frequenza.
  • Supporto microfono “multimarca”: il connettore a standard industriale LEMO 7-pin supporta tutte le principali marche di microfoni.
  • TSupporto TEDS: configurazione automatica  dei microfoni  dotati di TEDS
  • Elevato numero di canali acquisibili: usa tutti i MIC200 necessari per i tuoi scopi e  tutti i sistemi saranno automaticamente sincronizzati
  • Software DewesoftX incluso
  • SLM IEC Classe1 e  conformità Advanced ISO per misure di: Sound Power, Sound Intensity, Sound Quality, RT60
  • IEC servizi di calibrazione acustica: IEC61672, IEC61260, IEC 60651, IEC 61094-4, etc. e tutto può essere richiesto pre-calibrato al momento dell’ordine

Il SIRIUS MIC200 è multifunzionale ed estensibile. Può essere sincronizzato con qualunque altro sistema DAQ Dewesoft. E’ possibile acquisire contemporaneamente temperature, vibrazioni, video, estensimetri e molto altro, tutto con un unico software e con tutti i dati perfettamente sincronizzati.

SIRIUS MINI

Measuring sound and vibration with sirius mini

Il SIRIUS MINI è un piccolissimo sistema DAQ alimentato tramite USB configurato con quattro ingressi analogici ad alta dinamica per segnali a tensione diretta o segnali IEPE/ICP. Ogni amplificatore ha due ADC Sigma-Delta a 24-bit, campionamento per canale fino a 200 kHz e filtro anti-aliasing preinstallato. Il risultato è un’acquisizione con gamma dinamica fino a 160 dB, perfetta per misure di suono e vibrazioni.

Connettendo semplicemente il SIRIUS MINI a un computer Windows® ed utilizzando il software DewesoftX si avrà un performante sistema DAQ a quattro canali per centinaia di applicazioni, per misure di suono e vibrazioni.

Ciascuno dei quattro ingressi analogici  può ricevere segnale da qualunque microfono piezoelettrico o microfono a condensatore alimentato, oppure da un accelerometro IEPE. Anche un microfono a condensatore polarizzato in esterno può essere registrato purché opportunamente pre-alimentato 

Si può vedere nella successiva tabella che le specifiche di input del SIRIUS MINI sono praticamente identiche all'amplificatore ACC delle serie SIRIUS DualCore mostrate nella precedente sezione:

  SIRIUS mini
Connector BNC
#Channels 4
Sample Rate (max.) 200 kS/s/ch
Resolution 24-bit
Dynamic Range -140 dB (-160 dB @ DualCore)
Bandwidth ~ 76 kHz
Voltage Ranges ±500 mV or ±10 V
Input Coupling DC or AC 0.1 Hz, 1 Hz
IEPE sensor power 2, 4, 8, 12, 16 or 20 mA
Over voltage protection In+ to In-: 50 V continuous; 200 V peak (10 ms)
Counter option Yes
More functions TEDS interface, built-in sensor database
Automatic sensor error detection
Sensor Compatibility Prepolarized condenser mics, piezoelectric mics, externally polarized mics with an external power source
IEPE accelerometers
Size 146 x 139 x 64 mm (5.7 x 5.4 x 2.5 in.)
Weight 0.74 kg (1.63 lbs)

Con l’ingresso SuperCounter opzionale è inoltre possibile aggiungere un segnale codificatore o un sensore tachimetrico da usare come riferimento per segnali provenienti da macchine, sistemi rotanti o altro ancora.

Il SIRIUS MINI può essere alimentato via USB da qualsiasi computer notebook ed essere facilmente trasportato in uno zaino.

DEWE-43A 

Il DEWE-43A è anch’esso un piccolo sistema DAQ alimentato tramite USB ed è configurato per otto ingressi analogici universali, otto SuperCounter e due interfacce CAN BUS.

DEWE-43A

Ogni amplificatore ha un sistema ADC Sigma-Delta a 24-bit con campionamento fino 200 kHz per canale  e filtro anti-aliasing incorporato. Ciascuno degli ingressi analogici può registrare direttamente segnali in tensione oppure segnali provenienti da estensimetri a ponte intero. Esso diventa però un sistema di misura di suono o di accelerazione quando si collegano, negli ingressi analogici, minuscoli adattatori DSI-ACC. L’uso di questi adattatori permette la connessione diretta di microfoni IEPE ed accelerometri

 DSI adapters plug into any of the analog inputs of the DEWE-43A

Il piccolo adattatore DSI-ACC  che si collega a qualsiasi ingresso analogico DEWE-43A

Connettendo semplicemente il DEWE-43A a un computer Windows® ed utilizzando il software DewesoftX si avrà un performante sistema DAQ a otto canali per centinaia di applicazioni, per misure di suono e vibrazioni ed altro ancora.

Configurato con un adattatore DSI-ACC, ogni ingresso analogico può gestire qualunque microfono IEPE a condensatore alimentato, microfono piezoelettrico , o accelerometri IEPE. Possono essere registrati anche segnali di microfoni a condensatore polarizzati in esterno, ma solo se opportunamente alimentati. Usando degli adattatori DSI-CHG possono essere connessi anche accelerometri di “carica”. Ci sono anche altri tipi di adattatori DSI per altri tipi di sensori come LVDTs, corrente, tensioni fini a ±200 V, ed altro.

Qui di seguito ci sono le specifiche per DEWE-43A con adattatori DSI-ACC:

  DEWE-43A with DSI-ACC adapter
Connector BNC
#channels Up to 8
Sample rate (max.) 200 kS/s/ch
Resolution 24-bit
Signal-to-noise ratio 0.1 kS/s to 51.2 kS/s: 105 dB
51.2 kS/s to 102.4 kS/s: 100 dB
102.4 kS/s to 200 kS/s: 75 dB
Bandwidth ~ 76 kHz
Voltage ranges ±10 mV, ±100 mV, ±1 V, ±10 V
IEPE sensor power 20 mA
Over voltage protection ±70 V
Counters 8 isolated SuperCounters built-in
CAN BUS 2 isolated CAN BUS interfaces built-in
More functions TEDS interface for DSI identification, built-in sensor database
Sensor compatibility Prepolarized condenser mics, piezoelectric mics, externally polarized mics with the external power source
IEPE accelerometers
Size 225 x 80 x 45 mm (8.8 x 3.1 x 1.7 in.)
Weight 0.72 kg (1.59 lbs)

Usando ciascuno degli ingressi SuperCounter possono essere aggiunti decodificatori e tachimetrici per inserire segnali di riferimento per analisi di sistemi rotanti (order tracking).

Il DEWE-43A è alimentato da una ampia gamma di sistemi in DC ed include anche un adattatore AC/DC. Diversi di questi alimentatori possono essere inseriti in uno zaino.

Serie KRYPTON 

KRYPTON 8xACC module, with 8 IEPE inputs
Modulo KRYPTON 8xACC, con 8 ingressi IEPE

La serie KRYPTON DAQ è estremamente robusta che può essere utilizzata all’aperto ed in ambienti estremi.I KRYPTON sono impermeabili, operano anche ad alte temperature e sopportano forti urti e vibrazioni. Ci sono molti tipi di moduli KRYPTON, sia singolo canale che multicanale. I moduli sono interconnessi tramite cavi EtherCAT, che trasmettono alimentazione, tempo e dati ad un computer host con installato il software  DewesoftX DAQ.

KRYPTON 1xACC single channel IEPE module
Modulo KRYPTON 1xACC, singolo canale IEPE

I Moduli della serie KRYPTON possono essere usati per microfoni piezoelettrici, per microfoni IEPE con condensatore alimentato o accelerometri IEPE. Anche un microfono a condensatore polarizzato in esterno può essere registrato purché opportunamente pre-alimentato. Ciascun amplificatore ha un sistema Sigma-Delta ADC a 24-bit ed un filtro anti-aliasing preinstallato.

A seguire le specifiche di installazione di un amplificatore singolo o multicanale  KRYPTON ACC:

  KRYPTON 
4xACC
KRYPTON 
 8xACC
KRYPTON 
1xACC
Connector BNC
#channels 4 8 1
Max. sample rate 20 kS/s/ch 40 kS/s
Resolution 24-bit
Dynamic range Typical Dynamic Range @ 10 kS/sec:
-140 dB @ ±10 V
-134 dB @ ±200 mV
Typ. SFDR (10 kS/sec, -1 dBFS sine wave @ 1 kHz):
-113 dB @ ±10 V
-106 dB @ ±200 mV
Bandwidth 0.49 fs (alias-free bandwidth: 0.453 fs)
Voltage ranges ±10 V, ±5 V, ±1 V, ±200 mV
Input coupling DC, AC 0.1 Hz, 1 Hz
IEPE sensor power 4 or 8 mA
Input protection In+ to In-: 50 V continuous, 200 V peak (10 ms) In+ to In-: 50 V continuous, 200 V peak (10 ms) and 125 Vrms channel to ground isolation
Dimensions 213 x 39 x 56 mm 213 x 54 x 56 mm 62 x 56 x 29 mm
More functions TEDS interface for DSI identification, built-in sensor database
Sensor Compatibility Prepolarized condenser mics, piezoelectric mics, externally polarized mics with an external power source
IEPE accelerometers

Nota: KRYPTON-1x ACC campiona fino a 50 kHz se è l’unico modulo che usa connessione  EtherCAT. Questa funzione è utile per misure con microfoni dove è richiesta una frequenza di campionamento di 50 kHz.

Misura del Suono e Software di Analisi del Suono

Il software DewesoftX DAQ è in grado di gestire vari aspetti di acustica, misure del suono e del rumore, tra cui potenza sonora, intensità del suono, qualità del suoni ed altro ancora. Ecco una breve panoramica di queste soluzioni con software “chiavi in mano”:

Fonometro

Screenshot from a DewesoftX sound level metering testSchermata di analisi tramite DewesoftX di test con fonometro

Questa routine di analisi implementata nel software DewesoftX è pienamente conforme ai criteri di misura del suono definita  dallo standard  IEC 61672 Classe 1. Effettua misure IEC 60651, IEC 60804 sia in aria che in acqua. Dette misure acustiche possono essere correlate con tutte le altre misure di parametri rilevati durante il test: sistemi bus del veicolo, video, GPS ed altri parametri atti a ricostruire un’immagine esaustiva dell’intera prova. 

Le ampiezze di frequenze di riferimento predefinite (A, B, C, D fino a Z),  il tempo di pesatura (Fast, Slow o Impulse), il livello di pressione sonora equivalente o di picco, minima o massima, energia sonora, impulsività del suono, livello di rumore statistico (LAF1, 5, 10, 50, 90, 95 e 99 % classi di valori) sono sempre disponibili contemporaneamente.

I dati da presentare nelle schermate sono selezionabili e modificabili a discrezione dell’utente. Forniscono rappresentazioni analogiche, digitali, registrazioni nel dominio del tempo, FFT a banda stretta, in banda d’ottava etc.  e possono essere liberamente combinate per mostrare i dati sia in real-time che in post -processing.

Potenza Sonora

Measuring sound power on washion machine with Dewesoft equipment

Questa routine di analisi  implementata nel software DewesoftX è pienamente conforme ai criteri di misura della potenza del suono definita  dagli standards  ISO 3741, ISO 3743-1, ISO 3743-2, ISO 3744, ISO 3745, ISO 6393, ISO 6394, ISO 6395, ISO 6396.

Il software guida l’utente durante tutta la fase di test, includendo l’inserimento di tutti i parametri necessari ad identificare le posizioni dei microfoni intorno alla semisfera (secondo gli standard di riferimento); possono essere inserite anche le  calibrazioni dei microfoni e molte altre informazioni.

Dopo il test, il software consente all’utente di generare, con pochi passaggi, un classico report  Microsoft Excel®.

Tutti i parametri calcolati sono disponibili sia in real-time durante il test, sia off-line per post-processing. Ad esempio: calcolo immediato dei fattori di correzione K1 (rumore di fondo), K2 (correzione ambiente con modulo RT60 integrato), C1, C2 e C3 deviazioni dovute a variazioni di temperatura e pressione barometrica. Esiste anche un supporto per l’archiviazione dei dati come storie temporali (nel dominio del tempo), e per il calcolo offline della potenza del suono.

Qualità del Suono

Screenshot from a DewesoftX sound quality loudness testScreenshot DewesoftX di un test del volume qualità del suono

La misura della qualità del suono è un aspetto molto importante. Questa misura permette di valutare empiricamente come i suoni emessi da diversi tipi di macchine/apparati vengono percepiti dall’orecchio umano. 

Con questo software possono essere gestiti molti parametri della qualità del suono, tra cui:

  • Calcolo del volume/Loudness secondo  ISO 532-1 ed ISO 532-2: Acustica- Metodi per il calcolo del volume - Metodo Zwicker e  metodo Moore-Glasberg. Il volume è misurato in decibels (dB)
  • “Normal equal loudness contours” calcoli in accordo e basati su standard ISO 226 
  • Nitidezza/Sharpness viene calcolata partendo dal volume, ed è determinata secondo gli standard ISO 532-1 e ISO 532-2
  • Speech intelligibility ed extended articulation percezione del parlato con e senza la presenza di altri suoni.
  • Noise Criterion (USA) e Noise Rating (EU) 
  • Prominence ratio in accordo allo standard ISO 7779: misura del rumore emesso nell’aria da apparati di tecnologici e telecomunicazioni.
  • Ed altro ancora…

Ma forse la cosa più importante da sapere è che, a differenza di un fonometro dedicato, i sistemi Dewesoft possono misurare qualsiasi cosa e non sono limitati alla sola misura del suono. Questo significa che puoi misurare la qualità del suono così come anche altri parametri che permettono di confrontare il funzionamento della macchina/apparato con la risultante qualità del suono.

Intensità del suono 

Screenshot from a DewesoftX sound intensity test on a motorcycle engineScreenshot di un test di intensità del suono DewesoftX su un motore di motocicletta

La procedura per l’analisi dell’intensità del suono è stata implementata nel software DewesoftX nel rispetto degli standard: Sound Intensity-based Sound Power calculation - Discrete points method (ISO 9614-1) e Scanning method (ISO 9614-2). Si tratta di una metodologia di misura ed analisi completa ed esaustiva, che permette di identificare in modo  preciso la sorgente del suono oppure calcolare la potenza del suono stesso, e questo senza la necessità di disporre di un ambiente dedicato come una camera di riverbero o una camera anecoica.

In funzione della direzione di provenienza delle onde sonore (dal mic A al mic B o viceversa, il nostro sistema visualizza valori diversi (positivi o negativi) e la sorgente di rumore si muove lungo l’asse del sensore. Quando il sensore è perpendicolare alla sorgente di rumore (posizionato esattamente sopra di essa), il controllo visivo sulla  schermata   del software DewesoftX  si alternerà tra valori positivi e negativi. Questo processo viene eseguito sia per l’allineamento verticale che orizzontale dell’asse del sensore.

Analisi in Banda di Ottava

Dewesoft octave band analysis

La routine di calcolo per analisi in “Banda di Ottava” implementata nel software DewesoftX, è uno strumento indispensabile per  la misura del suono. Questo tipo di analisi fornisce una realistica approssimazione di come l’orecchio umano risponde ad un suono percepito. L'analizzatore in “Banda d’Ottava” Dewesoft soddisfa tutti i requisiti delle specifiche IEC ed AINSI per i filtri di ottava, e permette di avere   una corretta analisi in”Banda di Ottava” come definito dagli standards IEC 61260. Questo software fornisce analisi in banda di ottava, sintetiche e selezionabili per numerose applicazioni.

L'identificazione di ampiezza relative a frequenze standard preidentificate (A, B, C, D, e Z) può essere effettuata  direttamente nel dominio della frequenza per analisi del suono. DewesoftX fornisce una analisi in banda stretta sino a 1/24th di ottava.

Nelle analisi in Banda di Ottava, un valore “mediato” è spesso usato per fornire un risultato più stabile. Ci sono tre diversi modi per calcolare questo valore “mediato”:

  • Media lineare - ciascun FFT ha lo stesso peso.
  • Media esponenziale - FFT più recenti hanno maggior peso nella media.
  • Media Peak hold - Solo le ampiezze più elevate vengono salvate e mostrate.

 

Tempo di Riverbero RT60

Reverberation Time RT60

Il tempo di riverbero è il tempo impiegato dalla pressione sonora per scendere di 60 dB rispetto al suo valore iniziale. Le onde sonore in una stanza rimbalzano ripetutamente sulle superfici riflettenti. Il suono di riverbero è la sommatoria di tutti i suoni riflessi in un determinato ambiente.

Quando le riflessioni si mischiano tra loro generano il fenomeno chiamato riverbero. Il riverbero si riduce quando le onde riflesse colpiscono superfici assorbenti come tende, sedie e tavoli etc.
Il riverbero è un parametro chiave quando si vuole qualificare lo stato acustico di un ambiente.

La routine di analisi per il calcolo del tempo di riverbero implementata nel software DewesoftX rispetta gli standard ISO 354, usando il metodo di risposta integrato. La procedura calcola diversi parametri e li presenta separatamente, includendo:

  • T - Tempo di riverbero misurato
  • ETC - Curva Energia-tempo del suono
  • Dati temporali di ottava - il tipo di analisi dell’ottava può essere selezionato tra 1/1 o ⅓ di ottava
  • Line fit - linea che inviluppa l’andamento della curva ETC energia-tempo

L'applicazione Dewesoft Reverberation Time per la determinazione del tempo di riverbero è in conformità alle ISO standard applicabili comprese ISO 3382 ed ISO 354.

Produttori di Microfoni

Ci sono molti più produttori di microfoni rispetto a quelli elencati in seguito. La lista presentata identifica quelli focalizzati nella produzione di microfoni usati per la misura del suono e tralascia quelli che fanno applicazioni per il campo musicale o di pubblico intrattenimento.

Altri Strumenti Utili

Fonometri

Hand-held sound level meterTipico fonometro manuale, Image credit Cirrus Research Plc, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

I fonometri sono strumenti “impugnabili”, o portatili, che sono usati per la misura del suono in laboratorio, in fabbrica o in campo aperto. Essi sono disponibili  in diverse forme e dimensioni e vengono offerti da numerosi produttori, sia in configurazione Classe 1 che Classe 2, dove la Classe 1 è quella con maggior accuratezza. Alcuni test standardizzati richiedono espressamente fonometri in classe 1.

Dosimetri del livello di rumore

Man with a wearable noise level dosimeter on his right shoulderOperatore con dosimetro indossato sulla spalla destra. Image © Cirrus Research PLC

Un misuratore di rumore o “Noise Level Dosimeter” è simile ad un fonometro, ma normalmente più piccolo ed è destinato a misurare l’esposizione al rumore di una persona. Questi sono meno performanti di un fonometro, ma il loro campo applicativo è differente. I dosimetri sono  piccoli e poco vistosi e generalmente usati/indossati da una sola persona. Questi sensori registrano il livello di rumore di un'intera giornata lavorativa e forniscono quindi una mappatura completa dell’esposizione giornaliera al rumore.

Common Terms and Acronyms

Term Definition
CTN Cartridge Thermal Noise
dB Decibels, a unit of sound pressure expressed in a logarithmic scale
FFT Fast Fourier Transform
Mic A common abbreviation of the word “microphone”
NVH Noise, Vibration and Harshness
Pa Pascals, a unit of sound pressure (also sometimes abbreviated as P)
SNR Signal-to-Noise Ratio
SPL Sound pressure level
THD Total Harmonic Distortion
v Particle Velocity
W Watts, unit of sound power

Attributions