Desenvolvimento de um indicador de faixa de nível - O GVA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FÁBIO ANTÔNIO DO NASCIMENTO SETÚBAL / 0302102401
DESENVOLVIMENTO DE UM INDICADOR DE FAIXA DE NÍVEL DE PRESSÃO
SONORA DE BAIXO CUSTO ATUANDO COMO SISTEMA PERMANENTE DE
MONITORAMENTO DE RUÍDO
BELÉM
2008
FÁBIO ANTÔNIO DO NASCIMENTO SETÚBAL / 0302102401
DESENVOLVIMENTO DE UM INDICADOR DE FAIXA DE NÍVEL DE PRESSÃO
SONORA DE BAIXO CUSTO ATUANDO COMO SISTEMA PERMANENTE DE
MONITORAMENTO DE RUÍDO
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
apresentado
ao Colegiado da Faculdade de Engenharia Mecânica
do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará
para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. Gustavo da Silva Vieira de Melo
BELÉM
2008
FÁBIO ANTÔNIO DO NASCIMENTO SETÚBAL / 0302102401
DESENVOLVIMENTO DE UM INDICADOR DE FAIXA DE NÍVEL DE PRESSÃO
SONORA DE BAIXO CUSTO ATUANDO COMO SISTEMA PERMANENTE DE
MONITORAMENTO DE RUÍDO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
pela Universidade Federal do Pará .
Submetido à banca examinadora constituída
pelos integrantes:
__________________________________________
Prof. Dr. Gustavo da Silva Vieira de Melo
UFPA – Orientador, Presidente
Prof. Dr. Eng. Newton Sure Soeiro
UFPA
Prof. Eng. Odorico Nina Ribeiro Neto
CEFET/PA
Julgado em ____ de _____________de 200_
Conceito:____________________________
BELÉM
2008
À minha noiva Patrícia,
pela paciência, dedicação, companheirismo
e incentivo.
AGRADECIMENTOS
• À minha família que suportou todos esses anos “difíceis” comigo sem
questionamentos e cobranças;
•
Ao professor e orientador Gustavo da Silva Vieira de Melo pela amizade, confiança e
orientação;
•
Ao professor Newton Sure Soeiro pelos ensinamentos e incentivos;
•
Ao professor e amigo Odorico Nina Ribeiro Neto, pelo apoio e ajuda indispensável no
desenvolvimento deste trabalho;
•
A todos que constituíram e os que ainda constituem o Grupo de Vibrações e Acústica:
Helder, Adriano, Érlison, Luiz Fernando, Roberta, Diana, Rodrigo, Reginaldo, Aviz,
Márcio, Walter, Alexandre, Keliene, Bruno, Adry e Juliana Ruffeil;
•
À minha turma de graduação (2003) em Engenharia Mecânica, pela união durante toda
a nossa jornada na UFPA;
•
Ao Grupo PET, especialmente ao prof. Luciano, pelo apoio, educação e conselhos,
que me incentivaram a enfrentar a vida com responsabilidade e sabedoria;
•
Aos meus grandes amigos Alan Maurício e Renato José, pela amizade e fraternidade
ao longo dos anos;
•
Aos meus amigos Leandro Rodrigues, Jorge Andrey e Raphael Barros, pela amizade,
apoio e confiança.
•
Ao Seu Valter e D. Nata pela educação e incentivos indispensáveis para o meu
amadurecimento.
•
Aos meus tios e tias pela educação e conselhos.
•
Aos meus irmãos Marcelo, Márcia, Marcilene, Patrícia e Flávio.
•
A toda equipe da empresa Áudio Sonorização, em que estagiei como técnico em
eletrônica: Nonato, Rafael, Gil, Boro, Mauro, Jesus, Adriano, Beato, Ademir e outros.
•
Aos meus amigos técnicos de som, Dako, Júnior e Kleber.
A curiosidade constante pela resolução
De novos problemas é atributo seguro do
Homem altamente inteligente.
Dr. José Reis
RESUMO
Este trabalho descreve o projeto e implantação de um indicador de faixa de nível de pressão
sonora que deverá exibir o valor do nível de ruído, em decibel ponderado na escala “A”,
dB(A), coletado no ambiente investigado, funcionando como um sistema permanente de
monitoramento. O instrumento exibirá como indicador de faixa de nível de ruído, três
conjuntos de lâmpadas coloridas, a saber: um verde, um amarelo e outro vermelho. As
lâmpadas verdes indicarão que o ruído no ambiente está aceitável para o conforto acústico das
pessoas presentes nele e, portanto, não prejudicará as atividades a serem desenvolvidas. As
lâmpadas amarelas indicarão que o ruído no ambiente está dentro da faixa permitida para o
conforto acústico, sem prejudicar o desenvolvimento das atividades. Por fim, as lâmpadas
vermelhas indicarão que o nível de ruído no ambiente está acima do nível permitido para a
atividade no ambiente, podendo provocar estresse, desconcentração na atividade, dores de
cabeça e outros sintomas causados pela exposição ao ruído no ambiente, mas sem causar,
necessariamente, dano ao sistema auditivo. Estes valores terão como referência, valores
indicados na norma brasileira NBR 10152 (1987). Para a construção do circuito eletrônico,
utilizar-se-á um microfone de eletreto omnidirecional, um pré-amplificador, um filtro, que
simulará a curva de ponderação “A”, um detector de RMS (Root Mean Square) e, por último,
um circuito comparador que irá comparar o sinal de entrada com os valores de referência
especificados. O pré-amplificador, o filtro e o detector de RMS irão adequar o sinal de entrada
para as especificações do projeto e funcionarão desta forma como um condicionador de sinal.
Com o desenvolvimento deste projeto, será possível monitorar, a um baixo custo, corredores
de escolas, hospitais, ambientes externos e outros locais que possuam limites máximos de
níveis de ruído estabelecidos por normas, uma vez que os componentes eletrônicos utilizados
neste trabalho são todos comerciais e com uma boa precisão para o uso. A calibração deste
protótipo terá como padrão o analisador PULSE da B&K e será calibrado através da
comparação dos valores medidos no PULSE e no protótipo em desenvolvimento, a partir da
geração de ruído rosa dentro de certo ambiente. Assim, o microfone a ser calibrado será
colocado bem próximo do microfone conectado ao PULSE e, para cada valor máximo do
nível de pressão sonora medido pelo PULSE, ajustar-se-á a tensão do circuito comparador
para acender o grupo luminoso correspondente.
Palavras-Chave: Medidor de nível de pressão sonora, ruído, componentes eletrônicos,
conforto acústico.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - Pressão Acústica. Fonte: GERGES (2000) ..................................................... 20
FIGURA 2.2 - Comparação entre as escalas de pressão sonora e de níveis de pressão sonora.
Fonte: Brüel & Kjaer (2007) .................................................................................................... 21
FIGURA 2.3 - Características do Ruído quanto a sua duração no tempo: (a) Ruído Contínuo;
(b) Ruído intermitente; (c) Ruído Impulsivo ou de Impacto e (d) Ruído Tonal.
Fonte: Brüel & Kjaer (2007) .................................................................................................... 22
FIGURA 2.4 - Efeitos do ruído sobre o organismo. Fonte: GERGES (2000) ......................... 23
FIGURA 2.5 - Curvas Isofônicas ............................................................................................. 24
FIGURA 2.6 - O Ouvido Humano ........................................................................................... 25
FIGURA 2.7 - Medidores de nível de pressão sonora portáteis de alguns fabricantes ............ 27
FIGURA 2.8 - Diagrama em blocos de um medidor de nível de pressão sonora básico.
Fonte: HANS (2001) ................................................................................................................ 27
FIGURA 2.9 - Curvas típicas da resposta em freqüência de microfones. Fonte: GERGES
(2000) ...................................................................................................................................... 28
FIGURA 2.10 - Filtros de ponderação A, B, C e D. ................................................................ 29
FIGURA 2.11 - Nível de Pressão sonora equivalente Leq para certo tempo de integração (T).
Fonte: Ruído Ambiental – Brüel&Kjaer ................................................................................. 32
FIGURA 2.12 - Calibradores Acústicos de vários Fabricantes................................................ 33
FIGURA 3.1 - Circuito eletrônico composto de um resistor e um LED .................................. 36
FIGURA 3.2 - Microfone de Eletreto (Panasonic) e sua Resposta em Freqüência.................. 38
FIGURA 3.3 - Esquema Elétrico Típico de um Microfone de Eletreto. Fonte: Elliott Sound
Products. ................................................................................................................................... 38
FIGURA 3.4 - Amplificador de Instrumentação ...................................................................... 39
FIGURA 3.5 - Circuito Não-inversor com Realimentação Negativa....................................... 40
FIGURA 3.6 - Circuito Inversor com Realimentação Negativa. ............................................. 41
FIGURA 3.7 - Resposta em freqüência da resistência, reatância capacitiva e reatância
indutiva. .................................................................................................................................... 42
FIGURA 3.8 - Filtro Passivo Passa Baixa RC. ........................................................................ 42
FIGURA 3.9 - Resposta em Freqüência do Filtro Passa-Baixa RC. ........................................ 43
FIGURA 3.10 - Filtro Passivo Passa Alta RC.......................................................................... 43
FIGURA 3.11 - Resposta em Freqüência do Filtro Passa Alta RC.......................................... 44
FIGURA 3.12 - Filtro Passivo Passa Banda RC. ..................................................................... 44
FIGURA 3.13 - Filtro Passa Alta Ativo. .................................................................................. 45
FIGURA 3.14 - Filtro Passa Baixa Ativo................................................................................. 46
FIGURA 3.15 - Circuito Comparador...................................................................................... 46
FIGURA 3.16 - Característica de Transferência do Comparador. ........................................... 47
FIGURA 3.17 - Circuito Integrador. ........................................................................................ 48
FIGURA 3.18 - Circuito Integrador com Ganho Limitado em Baixas Freqüências................ 49
FIGURA 3.19 - Amplificador Logarítmico Transdiodo. ......................................................... 50
FIGURA 3.20 - Amplificador Anti-logarítmico....................................................................... 51
FIGURA 3.21 - Multiplicação de Dois Sinais de Entrada Usando Amplificadores
Logarítmicos e Anti-logarítmicos............................................................................................. 51
FIGURA 3.22 - Regulador de tensão Positiva (à esquerda) e regulador de Tensão Negativa (à
direita)....................................................................................................................................... 52
FIGURA 3.23 - Fonte Simétrica estabilizada (± 15V)............................................................. 52
FIGURA 4.1 - Protótipo do indicador de faixa de nível de pressão sonora: (a) Vista Frontal
Externa; (b) Vista Frontal Interna; (c) Vista Frontal Interna (mostrador); (d) Vista Lateral
externa e (e) Vista Superior Externa......................................................................................... 53
FIGURA 4.2 - Diagrama em blocos do Indicador de Faixa de Nível de Pressão Sonora........ 54
FIGURA 4.3 - Configuração utilizada na determinação da sensibilidade e calibração do
microfone.................................................................................................................................. 55
FIGURA 4.4 - (a) Amplificador balanceado com Circuito de polarização do Microfone de
Eletreto (b) Pinagem do CI TL072 da Texas Instruments. ....................................................... 56
FIGURA 4.5 - Amplificador de Instrumentação. ..................................................................... 58
FIGURA 4.6 - Filtro de Ponderação A. Fonte: ELLIOTT (2003). .......................................... 59
FIGURA 4.7 - Detector de RMS Verdadeiro. .......................................................................... 62
FIGURA 4.8 - Circuito Comparador........................................................................................ 63
FIGURA 4.9 - Circuito completo do Medidor de Nível de Pressão Sonora. ........................... 65
FIGURA 5.1 - Resposta em freqüência da etapa de pré-amplificação..................................... 69
FIGURA 5.2 - Resposta em freqüência do Filtro versus Curva de Compensação Padrão....... 71
LISTA DE QUADROS
QUADRO 2.1 - Atenuação da Percepção auditiva A, B e C. Fonte: GERGES (2000). .......... 30
QUADRO 4.1 - Descrição e Cotação do material utilizado (Julho/2008) .............................. 63
QUADRO 4.2 - Valores máximos de níveis ruído em determinados ambientes.
Fonte: NBR 10152 (1987). ....................................................................................................... 67
QUADRO 5.1 - Resposta em freqüência da etapa de pré-amplificação. ................................. 68
QUADRO 5.2 - Ponderações em freqüência e Limites de Tolerância para a Resposta A
Fonte: IEC 61672-1- 2002 - Eletroacoustics – Sound Level Meters........................................ 70
QUADRO 5.3 - Valores das tensões de entrada e saída do detector de RMS.......................... 71
QUADRO 5.4 - Valores de Tensão para cada NPS ................................................................. 73
SIMBOLOGIA
AC
Corrente Alternada
A fechada
Ganho em Malha Fechada de um AMPOP
c
Velocidade do som
C
Capacitância
CC
Corrente Contínua
f
Freqüência em Hz
f central
Freqüência Central de um Filtro Passa Banda
fC
Freqüência de Corte
f CRC
Freqüência de Corte de um Filtro RC Passa Baixa ou Passa Alta
GND
Ground (terra, potencial elétrico de zero volts)
GRC ( PA)
Ganho de Tensão de um Filtro RC Passa Alta
GRC ( PB )
Ganho de Tensão de um Filtro RC Passa Baixa
I
Corrente Elétrica
IC
Corrente do sinal que entra no Circuito LOG/ANTILOG
L Aeq
Nível de Pressão Sonora Equivalente Ponderado em “A”
Leq
Nível de Pressão Sonora Equivalente
NPS
Nível de Pressão Sonora
P(t)
Amplitude de Pressão Acústica
Patm
Pressão Atmosférica Estática
P0
Pressão de Referência (2,0 × 10 5 Pa )
Pt (t)
Amplitude da Pressão Acústica Total
R
Resistência Elétrica
RG
Resistência que seleciona o Ganho do Amplificador de
Instrumentação
RMS
Raiz Média Quadrática
RRMC
Razão de Rejeição em Modo Comum
T
Temperatura em °C
t
Tempo de Integração do Amplificador Integrador
U
Diferença de Potencial
Vbe
Tensão de Saída do Circuito LOG/ANTILOG
Vent
Tensão de Entrada do Amplificador Operacional
Verro
Diferença entre os sinais de entrada de um AMPOP
Vref i
Tensão de Referência Inferior do Circuito Comparador de Janela
Vref s
Tensão de Referência Superior do Circuito Comparador de Janela
Vsaída
Tensão de Saída do Amplificador Operacional
XC
Reatância Capacitiva
λ
Comprimento de Onda
ω
Velocidade Angular
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 15
1.1 Introdução ......................................................................................................................... 15
1.2 Justificativa ....................................................................................................................... 16
1.3 Objetivos............................................................................................................................ 17
1.3.1 Objetivo Geral ................................................................................................................. 17
1.3.2 Objetivos Específicos ...................................................................................................... 17
1.4 Organização do Trabalho ................................................................................................ 17
2 FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS DO SOM ................................................................ 19
2.1 Conceitos Fundamentais do Som .................................................................................... 19
2.2 O Som e os Seres Humanos ............................................................................................. 22
2.3 O Ouvido Humano ........................................................................................................... 24
2.4 Instrumentos de medição de Nível de Pressão Sonora ................................................. 26
3 FUNDAMENTOS DA ELETRÔNICA ............................................................................. 34
3.1 Componentes Elétricos e Eletrônicos.............................................................................. 34
3.1.1 Introdução ........................................................................................................................ 34
3.1.2 Resistores ......................................................................................................................... 34
3.1.3 Capacitores ...................................................................................................................... 35
3.1.4 Diodos.............................................................................................................................. 35
3.1.4.1 Diodo Zener .................................................................................................................. 35
3.1.4.2 Diodo Emissor de Luz - LED........................................................................................ 36
3.1.5 Transistores de Baixa Potência ........................................................................................ 37
3.1.6 Amplificadores Operacionais - AMPOP ......................................................................... 37
3.1.7 Microfone de Eletreto ...................................................................................................... 37
3.2 Aspectos Importantes Utilizados em Circuitos Eletrônicos.......................................... 39
3.2.1 Pré-Amplificadores.......................................................................................................... 39
3.2.2 Realimentação Negativa .................................................................................................. 40
3.2.3 Filtros RC ........................................................................................................................ 41
3.2.4 Filtros Ativos ................................................................................................................... 45
3.2.5 Circuito Comparador de Tensão ...................................................................................... 46
3.2.6 Circuito Integrador .......................................................................................................... 47
3.2.7 Circuito LOG/ANTILOG ................................................................................................ 49
3.2.8 Fontes de Alimentação Reguladas................................................................................... 51
4 METODOLOGIA................................................................................................................ 53
4.1 Introdução ......................................................................................................................... 53
4.2 Sensibilidade do Microfone ............................................................................................. 54
4.3 Pré-Amplificador Balanceado ......................................................................................... 55
4.4 Amplificador de Instrumentação .................................................................................... 57
4.5 Filtro de Ponderação “A” ............................................................................................... 58
4.6 Detector de RMS............................................................................................................... 59
4.7 Circuito Comparador....................................................................................................... 62
4.8 Circuito Completo ............................................................................................................ 63
4.9 Calibração ......................................................................................................................... 66
4.9.1 Materiais Utilizados......................................................................................................... 66
4.9.2 Procedimento de Calibração ............................................................................................ 66
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................... 68
5.1 Pré-Amplificador .............................................................................................................. 68
5.2 Filtro de Ponderação ........................................................................................................ 69
5.3 Detector de RMS............................................................................................................... 71
5.4 Circuito Comparador Logarítmico................................................................................. 72
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ......................................................................... 74
6.1 Conclusões ......................................................................................................................... 74
6.2 Indicações para Trabalhos Futuros ................................................................................ 75
REFERÊNCIAS .................................................................................................................... ·76
15
1 INTRODUÇÃO
1.1 Introdução
O som faz parte da vida do homem antes mesmo do seu nascimento. Através do som
é possível apreciar belas músicas ou simplesmente os sons da natureza. Possibilita a
comunicação falada entre pessoas. Permite diagnosticar e fazer avaliações qualitativas, como
perceber, mesmo por telefone, se uma pessoa está triste ou alegre. Sinais sonoros são
utilizados, também, como alerta contra incêndios. Mas apesar disso tudo, muitas vezes o som
incomoda e, quando isso acontece, passa a ser denominado ruído.
O grau de incômodo causado pelo ruído não depende somente de suas características
ou do tempo de exposição a ele, mas da atitude das pessoas perante o mesmo. Para um
engenheiro projetista de carros de “Fórmula 1”, o ronco do motor de um de seus carros é
“música” para seus ouvidos, enquanto àqueles que moram às proximidades da pista de
corrida, ouvir constantemente este tipo de ruído é extremamente perturbador. O incômodo
causado pelo ruído não está relacionado somente a sua amplitude. Uma torneira gotejante ou o
zumbido de um inseto pode incomodar mais do que o som de um trovão.
O ruído pode quebrar uma taça de cristal, derrubar muros, rasgar os cones de altofalantes, mas o que é pior e mais importante, o ruído pode destruir o minúsculo aparelho
designado a recebê-lo – o ouvido humano. Para impedir que isso aconteça, é necessário
conhecê-lo e, para isso, é preciso medi-lo. Hoje em dia, existem vários tipos de medidores de
ruído designados a captar, processar e exibir seus valores em mostradores. O nível de ruído
pode ser expresso através de um único valor equivalente, em dB, conhecido como Leq (nível
equivalente). Quando se utiliza algum filtro de ponderação, o nível passa a ser ponderado na
escala (A), (B), (C) ou (D) onde cada uma é utilizada para um determinado nível e tipo de
ruído. Dentre as ponderações mencionadas, a mais utilizada hoje em dia é a curva de
ponderação (A), ficando os níveis sonoros expressos em dB(A). Além disso, os medidores
podem apresentar os valores medidos na forma de gráficos representativos dos níveis de
pressão sonora, em função do tempo e/ou da freqüência.
O ouvido humano escuta somente um único valor global, que é a soma logarítmica
de todos os níveis de energia de cada banda de freqüência, para toda a faixa audível, expresso
através do LAeq (nível equivalente com ponderação A). Para cada tipo de ambiente, existe uma
16
técnica ou procedimento de medição que é normalizado. Dependendo das características do
ruído, existe uma parametrização a ser realizada no instrumento, atendendo às normas
regulamentadoras responsáveis pelo conforto acústico da sociedade. Para tanto, estes
instrumentos possuem um custo elevado e o acesso a eles se torna difícil.
Desta forma, este trabalho vem propor um protótipo de indicador de faixa de nível de
ruído de baixo custo que ficará exposto no corredor do Laboratório de Engenharia Mecânica
(LABEM) da Universidade Federal do Pará (UFPA) em tempo integral, com o intuito de
despertar a consciência dos usuários do local, a fim de que passem a se preocupar com a
poluição sonora e a contribuir para a manutenção dos níveis de conforto acústico, além de
indicar se o nível de ruído no ambiente está dentro da faixa estabelecida em norma.
1.2 Justificativa
É de suma importância que se monitore o ruído. Atualmente, ele é um dos mais
importantes causadores de danos à saúde, pois é responsável pela falta de atenção, estresse,
dores de cabeça e, principalmente, pelos danos ao ouvido humano.
Em salas de aula, o ruído gerado por ventiladores, condicionadores de ar, conversas
isoladas, telefones celulares e ruídos externos, fazem com que os professores tenham de forçar
suas cordas vocais e reduzem consideravelmente o rendimento dos alunos, além de tornar a
aula muito cansativa uma vez que o aluno terá que se concentrar para ouvir somente seu
professor, “filtrando” os sons indesejáveis, o que é feito com menos esforço somente quando
o assunto é muito interessante para o aluno.
Tal análise é válida, não somente em escolas, mas em qualquer ambiente, tais como:
hospitais, teatros, laboratórios, ruas e até mesmo os residenciais. Para tanto, utilizam-se
medidores de nível de pressão sonora, quando se deseja determinar o nível de ruído no
ambiente. Todavia, estes equipamentos possuem elevados custos associados, dificultando o
acesso a projetos de monitoramento permanente do ruído.
Assim, com base no alto custo dos medidores disponíveis no mercado e na
necessidade de utilização de um instrumento para o constante acompanhamento dos níveis de
ruído, é proposto o projeto de um protótipo, de baixo custo, de um indicador de faixa de nível
de pressão sonora. O protótipo indicará através de três conjuntos de lâmpadas, apenas se o
nível de ruído no ambiente está acima, abaixo ou dentro da faixa de valores definidos em
17
norma para o conforto acústico em determinado ambiente, o que reduzirá consideravelmente o
custo do instrumento, proporcionando seu uso em grande escala.
1.3 Objetivos
1.3.1 Geral
•
Desenvolver um sistema permanente de monitoramento de ruído de baixo custo.
1.3.2 Específicos
•
Utilizar dispositivos eletrônicos e eletroacústicos para o desenvolvimento de um
indicador de faixa de nível de ruído de baixo custo;
•
Calibrar o indicador de nível de ruído com base na comparação de sua resposta com as
do analisador PULSE da Brüel & Kjaer, o qual pode atuar como um medidor de nível
sonoro de alta precisão;
•
Contribuir para motivar, conscientizar e despertar a consciência das pessoas para a
preocupação com a poluição sonora.
1.4 Organização do Trabalho
Este trabalho contém 6 seções, distribuídas da seguinte forma:
Na seção 1, foram apresentados a introdução, justificativa, os objetivos e a estrutura
do trabalho.
18
A seguir, na seção 2, inicia-se uma descrição a respeito de alguns conceitos
fundamentais do som, o relaciona com o Homem, fala sobre o ouvido humano e finaliza com
um breve comentário sobre instrumentos de medição de nível de pressão sonora e calibradores
acústicos.
Na seção 3, são apresentados os componentes eletro-eletrônicos utilizados neste
trabalho e termina descrevendo as características de alguns circuitos eletrônicos embarcados
no projeto.
A seção 4 apresenta a metodologia do trabalho, explicando a construção de cada
etapa do projeto.
A seguir são discutidos os resultados obtidos em cada etapa desenvolvida no projeto,
desde a aquisição do sinal através do microfone de eletreto até sua resposta exibida por três
conjuntos de LED’s – Diodos Emissores de Luz utilizados como mostrador.
A seção 6 finaliza o trabalho com conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
Por fim, a lista de referências encerra o presente trabalho.
19
2 FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS DO SOM
2.1 Conceitos fundamentais do som
O som é o efeito das oscilações de um meio elástico, dentro da faixa de áudiofreqüência e dentro de certos valores de amplitude.
SILVA (2002) especifica duas definições para a palavra som: o som vibração ou
perturbação física que percorre um meio qualquer, para a propagação e o som sensação sonora
(psicofisiológica) que é captado pelo ouvido.
O som é definido como a variação da pressão atmosférica dentro dos limites de
amplitude e banda de freqüências aos quais responde o ouvido humano (GERGES, 2000).
BISTAFA (2006) afirma que o som é uma sensação produzida no sistema auditivo,
devido às vibrações das moléculas do ar que se propagam a partir de estruturas vibrantes. Em
outras palavras, o som é caracterizado pela variação da pressão e que precisa de um meio
físico para se propagar. A velocidade do som é função da temperatura do meio.
c ≅ 331,5 + 0 ,6 ⋅ T
(2.1)
Em que: c é a velocidade do som (m/s) e T a temperatura (°C).
Outra grandeza é o comprimento da onda acústica definida como:
λ=
c
f
(2.2)
Em que: f é a freqüência em hertz e λ o comprimento da onda em metros.
Para uma determinada freqüência, seu comprimento de onda é diretamente
proporcional à temperatura do meio, uma vez que a velocidade do som é função direta da
temperatura do meio (ver Eq. (2.1)).
A Fig. 2.1 mostra o exemplo de uma onda acústica (flutuação da pressão total Pt(t))
em função do tempo.
20
Figura 2.1 – Pressão Acústica.
Fonte: GERGES (2000).
A amplitude de pressão acústica P(t) é o maior deslocamento das flutuações da
pressão total Pt(t) com referência à pressão atmosférica estática (Patm).
P(t) = Pt (t) − Patm
(2.3)
A menor variação de pressão que o ouvido humano pode captar é 20 μPa , na
freqüência de 1 kHz (GERGES, 2000). A variação da pressão que produz a sensação de dor é,
aproximadamente, 1012 vezes o valor do limiar de audição. Este valor é denominado de
limiar da dor, a variação entre o limiar de audição até o limiar da dor é muito grande,
portanto, sua contração se faz necessária através da escala logarítmica. Na Fig. 2.2 pode-se
visualizar a utilização desta escala. Ao extrair o logaritmo de determinada grandeza como a
pressão sonora, sua denominação passa a ser não mais pressão sonora e sim, nível de pressão
sonora (NPS). A Eq. (2.4) descreve o NPS.
⎛ P (t ) ⎞
⎟⎟
NPS = 10 log ⎜⎜
P
⎝ 0 ⎠
2
(2.4)
Em que: P0 é o valor da pressão de referência e corresponde ao limiar de audição de
2 × 10 −5 Pa baseado em 1kHz .
21
Figura 2.2 – Comparação entre as escalas de pressão sonora e de
níveis de pressão sonora.
Fonte: Brüel & Kjaer (2007).
Existem várias classificações do ruído em função de sua duração no tempo.
Dependendo do tipo de ruído utiliza-se uma parametrização adequada no medidor sonoro
como, por exemplo, o tempo de integração: lento, rápido ou impulsivo. O ruído pode ser
contínuo, proveniente das máquinas operando sem interrupções como ventiladores, bombas e
aparelhos de ar-condicionado. Para determinar o nível sonoro dessa classe de ruído são
necessários somente poucos minutos com um instrumento de medição manual.
O ruído pode ser intermitente, quando sua duração é maior do que um segundo e se
repete em intervalos também maiores do que um segundo, como, por exemplo, os
provenientes da passagem de veículos ou aviões. Quando a duração do ruído é inferior a um
segundo e se repete em intervalos superiores a um segundo, ele é classificado como ruído de
impacto ou impulsivo como o ruído de explosões ou marteladas.
22
O ruído de componentes tonais é constituído de tons que se sobressaem em relação
aos outros, como: zumbido de um pernilongo ou o ruído de uma serra elétrica. A Fig. 2.3
mostra esses tipos de ruídos existentes na natureza.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2.3 – Características do Ruído quanto a sua duração no tempo: (a) Ruído Contínuo; (b) Ruído intermitente;
(c) Ruído Impulsivo ou de Impacto e (d) Ruído Tonal.
Fonte: Brüel & Kjaer (2007).
2.2 O Som e os Seres Humanos
Como visto anteriormente, por ser um tipo de som, o ruído é sentido de forma
subjetiva pelas pessoas. BISTAFA (2006), afirma que ruído é todo som indesejável e que o
som de uma serra elétrica ou o sobrevôo de um helicóptero seria, com certeza, qualificado
como um ruído se a circunstância fosse a de tentar dormir. No entanto, esses mesmos sons
seriam bastante agradáveis no caso de um supervisor de obras de construção civil
monitorando as atividades de seus subordinados à distância, ou no caso de um náufrago, em
um bote salva-vidas, no meio do Oceano Atlântico, aflito pela chegada do resgate.
Entretanto, com a industrialização e o avanço tecnológico, os níveis de ruído se
transformaram em uma das formas de poluição que mais atingem o Homem. O ruído está
23
presente em qualquer comunidade, em qualquer tipo de trânsito de veículos, nas escolas, nos
processos industriais, em qualquer obra civil e etc. Os efeitos do ruído sobre os Seres
Humanos atuam sobre a saúde e o bem estar dos mesmos e, principalmente, sobre sua
audição. Quando uma pessoa é submetida a altos níveis de ruído, acontecem algumas
alterações fisiológicas como a dilatação da pupila, hipertensão sangüínea, mudanças
gastrointestinais e reação da musculatura do esqueleto que, dependendo do tempo de
exposição, torna-se irreversível (GERGES, 2000). Surgem, também, alguns efeitos
cardiovasculares gerando hipertensão arterial (FUSINATO, 2005). Um longo tempo de
exposição a elevados níveis de ruído pode causar sobrecarga do coração causando secreções
anormais de hormônios e tensões musculares (GERGES, 2000). A Fig. 2.4 mostra os
principais efeitos do ruído sobre o organismo.
Figura 2.4 - Efeitos do ruído sobre o organismo.
Fonte: GERGES (2000).
Quanto ao bem estar das pessoas, o ruído pode ser analisado de várias formas:
exposição ao ruído no ambiente comunitário; efeito durante o sono; exposição durante as
aulas e etc.
24
Nem tudo que se ouve é o que parece ser. O sistema auditivo não capta o som de
forma linear, ele possui uma sensibilidade diferente na banda de 20 Hz a 20 kHz. Esta
característica faz com que as pessoas tenham uma impressão errada do nível sonoro gerado
por determinada fonte, em função da freqüência. A Fig. 2.5 mostra uma família de curvas de
igual audibilidade sonora, cuja unidade é dada em fones.
Figura 2.5 – Curvas Isofônicas.
A Fig. 2.5 mostra que para ouvir um tom puro de 50 Hz com a mesma intensidade
subjetiva de um tom puro de 1 kHz a 40 dB, é necessário aumentar em 25 dB o nível sonoro
deste tom (65 dB - 40 dB).
2.3 O Ouvido Humano
O ouvido humano é um órgão altamente sensível e responsável pela percepção e
interpretação das ondas sonoras em uma faixa muito grande de freqüências (20 Hz a 20 kHz).
25
A captação do som até a sua percepção é uma seqüência de transformações de energia,
iniciando pela sonora através do canal auditivo, passando para a mecânica através dos
ossículos (Martelo, Bigorna e Estribo), onde esta é amplificada, passa à hidráulica na cóclea e
finalizando com a energia elétrica dos impulsos nervosos que chegam ao cérebro (GERGES,
2000). Os principais componentes do ouvido humano poderão ser vistos na Fig. 2.6.
Figura 2.6 – O Ouvido Humano
O ouvido humano pode ser dividido em três partes: ouvido externo, ouvido médio e
ouvido interno.
•
O ouvido externo é constituído do pavilhão auditivo, canal auditivo e tímpano. O som
é coletado pelo pavilhão auditivo seguindo pelo canal auditivo até o tímpano.
•
O ouvido médio é constituído por um conjunto de ossículos: o martelo que bate contra
a bigorna, que por sua vez bate contra o estribo, funciona como braço de alavanca e,
com isso, amplifica o som de pequena amplitude captado pelo tímpano e o leva até a
membrana ligada à cóclea chamada de janela oval. A cóclea é o órgão responsável
pela coleta desse som amplificado e possui uma geometria espiral cônica (GERGES,
2000). No ouvido médio existe um canal chamado Trompa de Eustáquio ligado à
garganta e à boca e que é responsável pelo equilíbrio de pressão.
26
•
O ouvido interno é constituído pela cóclea. Ela é responsável pela transmissão do som
que chega à janela oval e o leva até o cérebro através de nervos. A cóclea é uma
espiral cônica com três tubos comprimidos lado a lado (GERGES, 2000). O tubo de
cima e de baixo se comunicam com o ouvido médio através da janela oval e redonda,
respectivamente, ambos cheios de um líquido chamado perilinfa. O tubo do meio,
chamado tubo coclear, também é cheio de um fluido denominado endolinfa. Nele,
existem várias células ciliadas que distinguem as freqüências ao logo do comprimento
da cóclea. Essas células não se regeneram.
2.4 Instrumentos de medição de Nível de Pressão Sonora
O medidor de nível de pressão sonora é um instrumento utilizado na medição de
níveis de ruído, sua resposta é dada em decibéis (dB). Todo instrumento utilizado, para a
aquisição de sinais é constituído de um sensor, pré-amplificador, filtros, detector de RMS,
circuito integrador, para o tempo de integração rápido ou lento e mostrador indicador de nível
analógico ou digital. Para este último, é necessário converter inicialmente o sinal analógico
para digital. Existem vários tipos de medidores sonoros, alguns são portáteis e outros não. Os
medidores de nível de pressão sonora podem ser de três tipos quanto a sua exatidão para a
ponderação (A) (IEC 61672, 2002):
•
Classe 0: 0,9 dB(A)
•
Classe 1: 1,2 dB(A)
•
Classe 2: 2,8 dB(A)
A figura 2.7 mostra alguns tipos de medidores de nível de pressão sonora portáteis de
vários fabricantes.
27
Figura 2.7 – Medidores de nível de pressão sonora portáteis de alguns fabricantes.
O diagrama em blocos de um medidor de nível de pressão sonora básico é visto na
Fig. 2.8.
Figura 2.8 – Diagrama em blocos de um medidor de nível de pressão sonora básico.
Fonte: HANS (2001).
28
Microfones são sensores utilizados para transformar energia mecânica em energia
elétrica. Ele é, geralmente, o elemento de custo mais elevado em um medidor, pois a
tecnologia empregada durante seu processo pode ser muito avançada. Os microfones foram
construídos, não somente para captar os sons antes de serem amplificados, mas também para
substituir o ouvido humano em áreas com elevados níveis de ruído, onde se torna inadequada
a permanência de pessoas no local por um longo período de tempo.
Entretanto, mesmo com todas as tecnologias empregadas, nenhum microfone
consegue fazer o que o sistema auditivo faz: selecionar naturalmente um som específico entre
vários sons de níveis distintos. Por exemplo, ao escutar uma música, é possível ouvir o som de
cada instrumento tocado separadamente, apenas utilizando a concentração, mas isso causa
esforço físico e mental (estresse).
Existem vários tipos de microfones e, cada um tem sua curva característica de
resposta em freqüência, podendo ser do tipo incidência aleatória, campo livre ou campo de
pressão. O de incidência aleatória é utilizado em campos bastante refletores ou reverberantes
(difusos), sua característica é omnidirecional, pois capta os sons vindos de todas as direções
igualmente. Os microfones de campo livre são utilizados em ambientes isentos de reflexões,
como em câmaras anecóicas. São supercardióides, ou seja, captam somente os sons vindos na
direção axial de sua membrana. Por último, os de campo de pressão são microfones que
captam somente os sons vindos na direção tangencial ao seu plano vibrante. A Fig. 2.9 mostra
esses tipos de microfones.
Figura 2.9 – Curvas típicas da resposta em freqüência de microfones.
Fonte: GERGES (2000).
29
Os filtros de ponderação ou de compensação são circuitos eletrônicos que simulam o
inverso das curvas isofônicas. São internacionalmente denominadas curvas de compensação
A, B, C e D, criadas para produzirem a audibilidade em função da freqüência sonora. Como o
ouvido não possui uma resposta linear com relação à freqüência a baixos NPSs, os medidores
de nível de pressão sonora possuem circuitos que fazem uma correção ponderada em função
das freqüências para simular a sensibilidade do ouvido humano. A Fig. 2.10 apresenta tais
curvas de compensação.
O circuito A aproxima-se da curva de igual audibilidade para baixos NPS,
correspondendo ao inverso da curva de 40 fones (ver Fig. 2.5), Os circuitos B e C são
análogos ao circuito A, entretanto, aproximam-se das curvas de igual audibilidade para
médios e altos NPSs respectivamente, correspondendo ao inverso das curvas de 70 e 100
fones, respectivamente. Atualmente, somente o circuito A é utilizado, pois os demais não
fornecem boa correlação em testes subjetivos.
O circuito D foi desenvolvido para medições em aeroportos. Toda vez que um
circuito de compensação é utilizado em um medidor de pressão sonora, é necessário colocar a
letra correspondente, em parênteses, ao lado da unidade dB. Por exemplo, 30 dB (sem
nenhum circuito de compensação) e 30 dB(A) (utilizando o circuito de ponderação A). O
Quadro 2.1 mostra as coordenadas padronizadas para a elaboração das curvas dos circuitos de
compensação A, B e C em função da freqüência.
Figura 2.10 – Filtros de ponderação A, B, C e D.
30
Freqüência (Hz)
Curva A dB (A)
Curva B dB (B)
Curva C dB (C)
10
-70,4
-38,2
-14,3
12,5
-63,4
-33,2
-11,2
16
-56,7
-28,5
-8,5
20
-50,5
-24,2
-6,2
25
-44,7
-20,4
-4,4
31,5
-39,4
-17,1
-3,0
40
-34,6
-14,2
-2,0
50
-30,2
-11,6
-1,3
63
-26,2
-9,3
-0,8
80
-22,5
-7,4
-0,5
100
-19,1
-5,6
-0,3
125
-16,1
-4,2
-0,2
160
-13,4
-3,0
-0,1
200
-10,9
-2,0
0,0
250
-8,6
-1,3
0,0
315
-6,6
-0,8
0,0
400
-4,8
-0,5
0,0
500
-3,2
-0,3
0,0
630
-1,9
-0,1
0,0
800
-0,8
0,0
0,0
1000
0,0
0,0
0,0
1250
0,6
0,0
0,0
1600
1,0
0,0
-0,1
2000
1,2
-0,1
-0,2
2500
1,3
-0,2
-0,3
3150
1,2
-0,4
-0,5
4000
1,0
-0,7
-0,8
5000
0,5
-1,2
-1,3
6300
-0,1
-1,9
-2,0
8000
-1,1
-2,9
-3,0
10000
-2,5
-4,3
-4,4
12500
-4,3
-6,1
-6,2
31
16000
-6,6
-8,4
-8,5
20000
-9,3
-11,1
-11,2
Quadro 2.1 – Atenuação da Percepção auditiva A, B e C.
Fonte: GERGES (2000).
O nível total (global) de pressão sonora é uma grandeza que fornece apenas um nível,
sem informações sobre a distribuição de energia deste nível nas freqüências. É uma medida
global RMS simples, que pode ser efetuada com um medidor de nível sonoro sem filtros
parciais (por bandas de freqüência), somente com um detector de RMS e circuitos RC
(resistor-capacitor) de constante de tempo de 125 ms (circuito rápido) ou 1 s (circuito lento).
A Fig. 2.11 mostra o valor da média quadrática (RMS) em dB(A) num certo intervalo de
tempo.
Uma vez que o potencial de danos à audição devido à exposição a um dado ruído não
depende somente do seu nível, mas também do tempo de exposição a este ruído, é possível
estabelecer um valor único LAeq, que é o nível médio de pressão sonora equivalente integrado
durante uma faixa de tempo especificada. O cálculo é baseado na energia do ruído contida na
faixa de tempo estabelecida pelo medidor. Sua equação é definida como:
L Aeq = 10 ⋅ log
1
T
P 2 (t )
∫0 P02 dt
T
(2.5)
Em que: T é o tempo de integração (s); P(t) é a amplitude da pressão acústica instantânea; P0
(
)
é a amplitude da pressão acústica de referência 2 × 10 −5 N / m 2 ; LAeq representa o nível
contínuo (estacionário) equivalente em dB(A), que tem o mesmo potencial de lesão auditiva
que o nível variável considerado.
32
Figura 2.11 – Nível de Pressão sonora equivalente LAeq para certo tempo de integração (T).
Fonte: Brüel&Kjaer (2003).
Para que se possa confiar no resultado de uma medição é necessário calibrar o
sistema com um calibrador acústico que emite um tom puro de 1 kHz a um determinado nível
(94 dB ou 114 dB). A finalidade do calibrador é de ajustar o ganho da cadeia de medição
(microfone + pré-amplificador + medidor de nível sonoro). Os calibradores possuem sua
classe de exatidão baseada na Norma IEC 60942 para:
•
Classe 0: ±0,15 dB
•
Classe 1: ±0,30 dB
•
Classe 2: ±0,50 dB
A Fig. 2.12 mostra alguns tipos de calibradores acústicos. A calibração deverá ser
efetuada antes e depois de cada série de medições, de preferência num ambiente com baixo
nível de ruído, de acordo com a Norma NBR 10151.
33
Figura 2.12 – Calibradores acústicos de vários fabricantes.
Ao utilizar um conjunto de equipamentos para uma medição, seus certificados de
calibração deverão estar dentro do prazo de validade.
34
3 FUNDAMENTOS DA ELETRÔNICA
3.1 Componentes elétricos e eletrônicos
3.1.1 Introdução
A eletrônica é a ciência que estuda a forma de controlar a energia elétrica através de
mecanismos nos quais os elétrons têm papel fundamental. Ela é dividida em duas partes:
analógica e digital. Além disso, estuda a utilização de circuitos formados por componentes
elétricos e eletrônicos visando à geração, controle, transmissão, processamento e
armazenamento de energia. Utilizando as características intrínsecas dos componentes eletroeletrônicos é possível manipular a energia elétrica e realizar as mais diversas operações
matemáticas. A seguir, serão apresentados alguns componentes elétricos e eletrônicos
utilizados neste trabalho.
3.1.2 Resistores
São componentes elétricos que limitam a intensidade de corrente elétrica. O valor de
sua resistência independe da freqüência, sendo função apenas da relação entre sua queda de
tensão e a corrente que flui por si:
R=
U
I
(3.1)
Em que: R é a resistência elétrica (Ω ) ; U é a queda de tensão no resistor (V ) e I a intensidade
de corrente elétrica que passa pelo resistor (A).
35
3.1.3 Capacitores
Um capacitor é um componente elétrico capaz de armazenar e fornecer cargas
elétricas. Ressalta-se que os capacitores eletrolíticos possuem polaridades, as quais devem ser
observadas no circuito. A capacidade de armazenamento de um capacitor é inversamente
proporcional à freqüência do sinal de entrada, portanto, eles se comportam como um circuito
aberto para sinais contínuos e um circuito fechado em sinais de freqüência elevada, conforme
pode ser verificado na Eq. (3.2), em que ω é a freqüência angular
(rad / s )
e C a
capacitância (Farad).
XC =
1
ωC
(3.2)
3.1.4 Diodo
O diodo é um componente eletrônico que conduz o sinal de entrada num único
sentido (unidirecional). Este componente pode ser desenvolvido a partir do elemento químico
silício ou germânio. Se for de silício, ele conduzirá o sinal de entrada somente quando a
tensão em seus terminais for igual ou superior a 0,7 V. Se o diodo for de germânio, esta
tensão, conhecida como tensão de joelho ou tensão de condução, será de 0,3 V. Por causa
desta característica, os diodos são usados, entre outras aplicações, como retificadores. Eles
atuam no processo de transformação de sinais alternados em sinais contínuos. Há diodos com
interessantes funcionalidades, os quais serão descritos a seguir.
3.1.4.1 Diodo Zener
O diodo zener, quando tem seu sinal de entrada invertido de polarização, se comporta
como uma fonte de tensão estabilizada, diferentemente, dos diodos comuns. Sua principal
36
vantagem, durante a sua aplicação, é manter a tensão nos seus terminais aproximadamente
constante.
3.1.4.2 Diodo Emissor de Luz - LED
Os diodos emissores de luz são diodos comuns que, quando polarizados diretamente,
emitem energia na forma de luz. Existem componentes em que vários LEDs estão dispostos
sob a forma de traços ou pontos numa matriz, permitindo a apresentação de algarismos e
letras (displays - mostradores).
Na Fig. 3.1, é mostrado esquematicamente um circuito eletrônico no qual um resistor
e um LED são utilizados. Neste circuito, os 9 V fornecidos pela fonte de alimentação (sinal de
entrada) são divididos entre o resistor e o LED da seguinte forma: 7 V para o resistor e 2 V
para o LED. Logo, para que uma corrente de 10 mA circule pelo circuito, o resistor deverá ter
uma resistência elétrica igual a R = 700 Ω (7 V/ 10 mA). A importância desse resistor no
circuito é limitar a corrente que flui através do LED impedindo que este se danifique
permanentemente e fornecendo um brilho constante para o LED.
Figura 3.1 – Circuito eletrônico composto de um resistor e um LED.
37
3.1.5 Transistores de Baixa Potência
Antes de 1950, todos os equipamentos eletrônicos utilizavam válvulas. Em 1951, a
empresa Schockley inventou o primeiro transistor de junção (MALVINO, 1997). Existem
várias formas de se utilizar um transistor. Nos circuitos digitais são utilizados como chave. Já
nos circuitos lineares são utilizados como fonte de corrente. Acionar um LED com um
transistor fonte de corrente é um exemplo de circuito linear. Transistores são dispositivos
semicondutores utilizados em várias aplicações eletrônicas.
3.1.6 Amplificadores Operacionais – AMPOP
Amplificadores Operacionais são vários dispositivos semicondutores dispostos em
um único invólucro, denominados circuitos integrados – CI. Dependendo de suas
configurações em um circuito e de alguns componentes externos, é possível utilizá-los como
circuitos lineares ou não-lineares.
3.1.7 Microfone de Eletreto
Microfone de eletreto é um transdutor eletroacústico que transforma energia
mecânica em energia elétrica e, em geral, possui uma resposta em freqüência bastante plana.
Na Fig. 3.2 pode-se visualizar uma cápsula de microfone de eletreto e sua resposta em
freqüência.
38
Figura 3.2 – Microfone de Eletreto (Panasonic) e sua Resposta em Freqüência.
Fonte: ELLIOTT (2007)
A Fig. 3.3 mostra o esquema elétrico de um microfone de eletreto. Observa-se que
ele possui em sua cápsula, um transistor, necessitando, portanto, de uma tensão de polarização
para funcionar corretamente.
Figura 3.3 – Esquema Elétrico Típico de um Microfone de Eletreto.
Fonte: ELLIOTT (2007).
Segundo COSTA (2002), a alimentação que o eletreto utiliza é empregada para
energizar o circuito pré-amplificador. Sua impedância é diretamente proporcional à
freqüência, de modo que é sempre referenciada em 1000 Hz.
39
3.2 Aspectos importantes utilizados em circuitos eletrônicos
3.2.1 Pré-Amplificadores
Os pré-amplificadores fazem parte da primeira etapa de qualquer condicionador de
sinais. Sua função é aumentar a amplitude do sinal de entrada, melhorando a relação entre o
sinal útil e o não-útil (relação sinal/ruído). Existem vários tipos de pré-amplificadores, sendo
o mais utilizado na aquisição de sinais o amplificador de instrumentação, pois ele possui uma
alta razão de rejeição em modo comum (RRMC), significando que este tipo de amplificador
não amplifica sinais iguais injetados em seus terminais (MALVINO, 1997). A Fig. 3.4 mostra
amplificadores operacionais arranjados como um amplificador de instrumentação. A idéia
básica consiste na amplificação apenas da diferença dos sinais entre seus terminais de entrada
V1 e V2. Em que: Vent = V 1 − V 2 .
Todo ruído causado por interferência eletromagnética é comum nas duas entradas
(V1=V2), portanto será anulado. A saída deste circuito é descrita por:
⎛ 2⋅R⎞
⎟⎟
Vsaída = (Vent ) ⋅ ⎜⎜1 +
R
G ⎠
⎝
Figura 3.4 – Amplificador de Instrumentação.
(3.3)
40
3.2.2 Realimentação Negativa
A Fig. 3.5 mostra um circuito com realimentação negativa. O divisor de tensão
formado por R1 e R2 realimenta a entrada inversora. A tensão de realimentação é
proporcional à tensão de saída. A diferença entre as tensões das entradas não-inversora e
inversora é chamada de tensão de erro:
Verro = V1 − V2
(3.4)
Figura 3.5 – Circuito Não-inversor com Realimentação Negativa.
Esta tensão multiplicada pelo ganho de tensão de malha aberta A, fornece a tensão de
saída. O valor deste ganho de tensão é fornecido pelo fabricante do AMPOP, quando não
existi nenhum componente de realimentação no circuito.
Vsaída = A ⋅ Verro
(3.5)
Na prática, todos os AMPOP possuem um alto ganho de tensão em malha aberta A.
Portanto:
Vsaída R1 + R2
=
Vent
R2
(3.6)
41
Com isso, o ganho do circuito em malha fechada Afechada será:
A fechada =
Vsaída
R1
= 1+
Vent
R2
(3.7)
Observa-se que o ganho de tensão de malha fechada só depende dos valores dos
resistores R1 e R2. Tornando este ganho bastante estável.
Quando a tensão de entrada é injetada na entrada inversora de um AMPOP o circuito
é chamado de amplificador inversor, porque a tensão de saída é igual à tensão de entrada
multiplicada com ganho do circuito, mas com a amplitude invertida ou defasado de 180°. Para
este tipo de circuito, o ganho de malha fechada é dado pela Eq. (3.8), e seu circuito é visto na
Fig. 3.6.
A fechada = −
R1
R2
(3.8)
Figura 3.6 – Circuito Inversor com Realimentação Negativa.
3.2.3 Filtros RC
Os filtros RC são circuitos constituídos somente de resistores e capacitores. Existem,
entre outros, filtros passa alta e filtros passa baixa. A Fig. 3.7 mostra a resposta em freqüência
do resistor, capacitor e do indutor, este último não será utilizado neste trabalho.
42
A idéia em um filtro RC (resistor-capacitor) consiste na manipulação das
características intrínsecas do capacitor. Em altas freqüências, ele se comporta como um
circuito fechado (baixa resistência) e em baixas freqüências, como um circuito aberto. A
aplicação dos filtros passa alta e passa baixa pode formar o filtro passa faixa ou passa banda
conforme mostram as Fig. 3.8 a 3.12. A Eq. (3.2) mostra a reatância capacitiva em função da
freqüência, para os capacitores em geral. Sua capacitância é inversamente proporcional à
freqüência, com isso, é possível amplificar ou atenuar o ganho de um sinal em cada faixa de
freqüência estabelecida pela freqüência de corte.
Figura 3.7 – Resposta em freqüência da resistência, reatância capacitiva e reatância indutiva.
Figura 3.8 – Filtro Passivo Passa Baixa RC.
A freqüência de corte para o circuito da Fig. 3.8 é dada por:
f CRC =
1
2πRC
(3.9)
43
O ganho de tensão para o filtro passa baixa RC é:
G RC ( PB ) =
1
1 + (2πfRC )
2
(3.10)
A curva da resposta em freqüência para o circuito da Fig. 3.8 pode ser vista na Fig.
3.9.
Figura 3.9 – Resposta em Freqüência do Filtro Passa-Baixa RC.
A Fig. 3.10 mostra o circuito de um filtro passa alta RC.
Figura 3.10 – Filtro Passivo Passa Alta RC.
A freqüência de corte para o circuito da Fig. 3.10 é a mesma para um filtro passa
baixa, portanto dada pela Eq. (3.9). O ganho de tensão para o filtro passa alta RC é:
44
GRC ( PA) =
1
⎛ 1 ⎞
⎟⎟
1 + ⎜⎜
⎝ 2πfRC ⎠
2
(3.11)
A curva da resposta em freqüência para o circuito da Fig. 3.10 pode ser vista na Fig.
3.11.
Figura 3.11 – Resposta em Freqüência do Filtro Passa Alta RC.
Um filtro passivo Passa Banda é mostrado na Fig. 3.12. Ele permite a passagem de
sinais de tensão e corrente com freqüências situadas numa faixa intermediária, atenuando os
sinais com freqüências abaixo ou acima dessa faixa. Este filtro possui duas freqüências de
corte, a saber, freqüência de corte inferior e freqüência de corte superior. As freqüências de
corte deste novo filtro serão as mesmas determinadas para os filtros passa alta e passa baixa,
num circuito RC.
Figura 3.12 – Filtro Passivo Passa Banda RC.
45
A freqüência central para o filtro passa banda da figura acima pode ser determinado
através da seguinte equação:
f central =
1
(3.12)
2π RC
3.2.4 Filtros Ativos
Os filtros ativos são aqueles que necessitam de uma tensão de alimentação para
funcionar, porque os componentes eletrônicos utilizados são, geralmente, transistores ou
circuitos integrados. Para filtrar baixas freqüências, os indutores e capacitores são volumosos
e caros. Usando amplificadores operacionais, é possível construir filtros ativos RC que
produzem ama inclinação bastante íngreme associada com filtros passivos LC (indutor e
capacitor). A Fig. 3.13 mostra um filtro passa alta ativo. O capacitor juntamente com o
resistor de entrada forma o filtro passivo, enquanto que os resistores R1 e R2 representam o
ganho em malha fechada do AMPOP. A Fig. 3.14 mostra um filtro passa baixa, apenas
trocando o capacitor “C” e o resistor “R” de lugar na Fig. 3.13.
Figura 3.13 – Filtro Passa Alta Ativo.
46
Figura 3.14 – Filtro Passa Baixa Ativo.
3.2.5 Circuito Comparador de Tensão
Comparador é um circuito não linear com AMPOP, pois a forma de onda do sinal da
saída é diferente da forma de onda do sinal de entrada. Sua função é comparar a tensão de
entrada com uma ou mais tensões de referência. A Fig. 3.15 mostra o circuito de um
comparador de janela. Se a tensão de entrada estiver entre as duas tensões de referência, a
saída será alta, caso contrário será zero.
Figura 3.15 – Circuito Comparador.
47
As tensões de referência superior e inferior são obtidas por divisor de tensão:
Vref s =
R3
⋅ V1
R 2 + R3
(3.13)
Vref i =
R5
⋅ V2
R 4 + R5
(3.14)
A Fig. 3.16 mostra a característica de transferência do circuito comparador. Observase que, quando a tensão de entrada situa-se entre V1 e V2, a tensão de saída é igual a V3.
Quando a tensão situa-se abaixo ou acima das tensões V1 e V2, a tensão de saída é zero.
Figura 3.16 – Característica de Transferência do Comparador.
3.2.6 Circuito Integrador
O circuito integrador é um circuito que realiza a operação matemática de integração,
pois ele produz uma tensão de saída proporcional à integral da tensão de entrada. A Fig. 3.17
mostra um circuito integrador com AMPOP. A tensão de saída e o tempo de integração são
dados pelas equações (3.15) e (3.16), respectivamente.
48
Figura 3.17 – Circuito Integrador.
t
1
v saída (t ) = −
vent (t )dt
RC ∫0
(3.15)
Em que: t é o tempo de integração em (s).
t=
1
RC
(3.16)
Um circuito integrador mais prático é mostrado na Fig. 3.18. O resistor R1 é
colocado em paralelo com o capacitor de realimentação, para reduzir o ganho do circuito em
baixas freqüências. Se não houvesse essa limitação, a tensão de compensação de entrada,
embora pequena, seria integrada, provocando a saturação do AMPOP. A tensão de
compensação de entrada é minimizada pelo resistor R2, que geralmente é igual à combinação
paralela do resistor de entrada R com o resistor de realimentação R1 (Fig. 3.18).
R2 =
R1 ⋅ R
R1 + R
(3.17)
A freqüência de corte deste circuito depende apenas do resistor e capacitor de
realimentação.
fC =
1
2πR1C
(3.18)
49
Para freqüências de entrada menores do que fC, o desempenho do circuito da Fig.
3.18 se assemelha ao do amplificador inversor com ganho de tensão igual a:
Vsaída
R1
=−
Vent
R
(3.19)
Figura 3.18 – Circuito Integrador com Ganho Limitado em Baixas Freqüências.
3.2.7 Circuitos LOG/ANTILOG
Os circuitos logarítmicos consistem em circuitos cuja saída é proporcional ao
logaritmo do sinal de entrada. Os anti-logarítmicos são circuitos cuja saída é proporcional ao
antilog do sinal de entrada. Um amplificador logarítmico é mostrado na Fig. 3.19. Para que
um amplificador deste tipo possa funcionar normalmente, o seu elemento componente de
realimentação deve ter características não-lineares, portanto é comum a utilização de diodos e
transistores na realimentação. Com isso, a relação entre a queda de tensão neste componente e
a corrente que flui através dele é dada por:
Vbe = Vsaída = K ⋅ log(I C )
(3.20)
50
Mas,
I C = I ent =
Vent
R
(3.21)
Portanto: Vsaída ∝ log(Vent ) .
⎛V ⎞
Vsaída = K ⋅ log⎜ ent ⎟
⎝ R ⎠
(3.22)
Figura 3.19 – Amplificador Logarítmico Transdiodo.
Um exemplo de circuito anti-logarítmico é mostrado na Fig. 3.20. Observa-se que ele
é idêntico ao circuito logarítmico com os componentes de entrada e de realimentação com
suas posições trocadas. Os circuitos LOG/ANTILOG são muito utilizados como
amplificadores multiplicadores. A Fig. 3.21 mostra a multiplicação de dois sinais de entrada
utilizando circuitos logarítmicos e anti-logarítmicos.
51
Figura 3.20 – Amplificador Anti-logarítmico.
Figura 3.21 – Multiplicação de Dois Sinais de Entrada Usando Amplificadores Logarítmicos e Anti-logarítmicos.
3.2.8 Fontes de Alimentação Reguladas
Existem vários tipos de fontes de alimentação com tensões e correntes reguladas.
Serão discutidas nesta sessão, apenas as fontes reguladas utilizando reguladores de tensão da
família de CIs 78xx e 79xx de três terminais, porque estes foram os reguladores utilizados
neste trabalho.
O diodo zener apresentado na sessão 3.1.4.1 possui uma tensão constante na região
de ruptura, por isso ele é utilizado como regulador de tensão. Os dígitos 78 e 79 significam
que o regulador trabalha com tensões positivas ou negativas, respectivamente. Deste modo, o
CI 7915 é um regulador de tensão com saída estabilizada em -15 volts CC. A Fig. 3.22 mostra
um regulador 7815 e 7915, da esquerda para a direita. Na Fig. 3.23 é mostrado o diagrama
esquemático da fonte simétrica adotada neste trabalho.
52
Figura 3.22 – (À esquerda) Regulador de tensão Positiva (À direita) regulador de Tensão Negativa.
Figura 3.23 – Fonte Simétrica estabilizada (± 15V).
Após apresentar os dispositivos e circuitos eletrônicos utilizados neste trabalho, a
próxima etapa a ser abordada será a metodologia aqui adotada.
53
4 METODOLOGIA
4.1 Introdução
Neste capítulo será descrita a metodologia utilizada na fabricação do indicador de
faixa de nível de ruído desenvolvido neste trabalho. Tal indicador pode ser visto na Fig. 4.1
em cinco vistas e seu diagrama em blocos é mostrado na Fig. 4.2. O diagrama mostra cada
etapa do circuito utilizado neste projeto, desde a etapa de amplificação do sinal até a etapa de
visualização na saída. A tensão de “0 V” (GND –Ground) é utilizada como referência durante
as etapas de análise.
(a)
(b)
Sinal RMS de Saída
Chave (Lento e Rápido)
Sinal na saída do filtro
Entrada de Microfone
(c)
(d)
54
(e)
Figura 4.1 – Protótipo do indicador de faixa de nível de pressão sonora: (a) Vista Frontal Externa; (b) Vista Frontal
Interna; (c) Vista Interna do mostrador; (d) Vista Lateral externa e (e) Vista Superior Externa.
A Fig. 4.1 (e) mostra a região da fonte de alimentação. Esta região é constituída de
uma chave liga/desliga (à direita), em que a posição zero desliga e a outra liga o instrumento.
Possui um porta-fusível para fusível pequeno de 100 mA e uma outra chave (vermelha) para a
seleção de voltagem (110V-220 V) AC.
Figura 4.2 – Diagrama em blocos do indicador de Faixa de Nível de Pressão Sonora.
4.2 Sensibilidade do Microfone
Primeiramente tentou-se determinar a sensibilidade do microfone baseado em
COSTA (2002) com a fonte sonora gerando ruído rosa a 1,5m do microfone, mas não foi
possível determinar o valor da tensão nos terminais do microfone devido à grande variação
55
desta. Posteriormente, tentou-se com a fonte gerando 1000 Hz e a tensão nos terminais do
microfone continuava variável. Isto caracterizou a alta sensibilidade do microfone, que apesar
de não determinada, favoreceu positivamente o tipo de microfone utilizado no projeto.
Para que o microfone funcione corretamente, é necessário polarizá-lo e isto foi
conseguido através da tensão de 15 V ligada em série com um resistor de 10 kΩ. A Fig. 4.3
mostra a configuração utilizada neste procedimento.
Figura 4.3 – Configuração utilizada na determinação da sensibilidade e calibração do microfone.
4.3 Pré-Amplificador Balanceado
O pré-amplificador balanceado é um dispositivo constituído de dois amplificadores
operacionais. O CI TL072 é um circuito integrado de baixa potência (menor do que 1 watt)
que possui internamente dois amplificadores operacionais. A Fig. 4.4 mostra o primeiro
estágio do medidor e a pinagem do TL072. O amplificador U3A forma um circuito não
inversor de tensão. O sinal do microfone é injetado no pino 3 do U3A via capacitor C9. Este
capacitor, juntamente com o resistor R6 forma um filtro passa alta cuja freqüência de corte é
dada por:
fC =
1
= 0,15 Hz
2π × 10 5 × 10 −5
(4.1)
56
Esta freqüência bloqueia a tensão CC, porém, quase todos os sinais de baixa
freqüência são injetados no amplificador não-inversor que amplifica o sinal do microfone em
duas vezes.
A fechada = 1 +
33
=2
33
(4.2)
Observando a polarização do microfone via resistor R5, nota-se que esta tensão é
necessária para a alimentação do transistor contido no interior da cápsula do microfone de
eletreto. Dando continuidade, o sinal do microfone amplificado que sai via pino 1 do U3A
entra no circuito inversor formado pelo segundo amplificador operacional do TL072, via pino
6. Este amplificador tem a função de apenas inverter a amplitude do sinal, pois seu ganho é
unitário ( R7 = R8 ) (ver Eq. (3.8) e Fig. 3.6).
A fechada =
33
=1
33
(4.3)
A função deste circuito é de amplificar e balancear o baixo sinal captado pelo
microfone antes de injetá-lo no próximo estágio (amplificador de instrumentação). Os
capacitores C10 e C11 são chamados de capacitores de passagem. A função deles é barrar a
passagem da corrente CC, caso ela exista, entre um estágio e outro. Já os resistores R11 e R12
limitam a corrente AC do sinal que será injetado nas entradas do amplificador de
instrumentação (ver Fig. 4.4 (a)).
(a)
57
(b)
Figura 4.4 – (a) Amplificador balanceado com Circuito de polarização do Microfone de Eletreto
(b) Pinagem do CI TL072 da Texas Instruments.
4.4 Amplificador de Instrumentação
Existem CIs com amplificadores de instrumentação embarcados bastante eficientes,
mas pela dificuldade em se obter tais circuitos integrados, se fez necessário projetar um
amplificador de instrumentação utilizando amplificadores operacionais encontrados
facilmente no comércio. Este circuito é formado por três amplificadores operacionais. Seu
ganho depende apenas do valor de R13 (kΩ). Neste estágio, o ganho é determinado através da
Eq. (4.4).
Ganho = 1 +
50
= 51
1
(4.4)
Isto significa que a amplitude do sinal na saída deste amplificador será o seu ganho
multiplicado pela diferença das amplitudes dos sinais que entram nele via pinos 3 e 5 de U4,
respectivamente. Cuidado deve ser tomado para não distorcer o sinal do microfone neste
estágio. A vantagem em utilizar este circuito é que ele possui uma grande eficiência ao
minimizar os sinais iguais que entram simultaneamente em suas entradas (pino 3 e pino 5 de
U4). A Fig. 4.5 mostra o circuito do amplificador de instrumentação. Na saída desse estágio
existe um filtro passa alta formado por C12 e R21 (ver Fig. 4.9), cuja freqüência de corte é:
fC =
1
= 1,59 Hz
2π × 10 4 × 10 −5
O sinal na saída deste estágio segue para a entrada do filtro de ponderação A.
(4.5)
58
Figura 4.5 – Amplificador de Instrumentação.
4.5 Filtro de Ponderação “A”
ELLIOTT (2003) projetou este filtro de ponderação “A” utilizando dois
amplificadores operacionais e alguns resistores e capacitores. O filtro gera uma resposta em
freqüência semelhante ao inverso da curva de igual audibilidade vista na Fig. 2.5 deste
trabalho, para um nível de intensidade sonora de 40 dB em 1000 Hz. Por isso, ele só é
eficiente neste nível de intensidade e, portanto, não representa exatamente o ouvido humano.
A Fig. 4.6 mostra o esquema elétrico do filtro de ponderação “A”. Em geral, o filtro
é passivo. Pois o amplificador de entrada é utilizado apenas para realizar o casamento de
impedâncias entre os estágios, enquanto que o de saída (amplificador inversor) é responsável
pelo ajuste de ganho do circuito. Este filtro é do tipo passa banda com freqüência central em
1000 Hz.
Para a validação do filtro utilizou-se um gerador de sinais e um osciloscópio. Injetouse 1000 Hz em sua entrada a 1 V e mediu-se a saída, ajustando o ganho do circuito através do
R33 até medir-se 1 V em sua saída. A partir daí, variou-se a freqüência no gerador em terços
de oitava, abaixo, até a freqüência de 16 Hz e acima, até 20 kHz mantendo a tensão constante
em 1 V na entrada do filtro. Para os valores das ponderações por banda de freqüência, a
norma IEC 61672-1 (2002) estabelece uma equação para esses valores que representam a
curva de ponderação “A”:
⎡
f 42 ⋅ f 4
⎢
A( f ) = 20 log
⎢⎣ f 2 + f12 f 2 + f 22 1 / 2 f 2 + f 32
(
)(
) (
) (f
1/ 2
2
+ f 42
⎤
⎥ − A1000
⎥⎦
)
(4.6)
59
Em que: A1000 = −2 dB; f1 = 20,6 Hz; f 2 = 107,7 Hz; f 3 = 737 ,9 Hz; f 4 = 12194 Hz.
O sinal na saída deste amplificador segue via C20 e R35 (ver Fig. 4.9) até a entrada
do amplificador intermediário. Neste ponto, segue uma amostra deste sinal até uma saída
BNC localizada na lateral direita do medidor, logo acima da entrada do microfone que
também é BNC (ver Fig. 4.1 (d)) que pode ser monitorada por um analisador de sinais, para
uma possível manutenção do instrumento.
Figura 4.6 – Filtro de Ponderação A.
Fonte: ELLIOTT (2003).
4.6 Detector de RMS
Este circuito foi baseado no projeto de um True Detector (NATIONAL, 1973). A
Fig. 4.7 mostra o esquema elétrico deste circuito. O sinal que entra via capacitor C20 e
resistor R35 neste estágio é convertido em um sinal CC no pino 1 de U9. A tensão deste sinal
medida com um multímetro na escala CC é igual ao valor da tensão de entrada medida com
um multímetro na escala AC. O sinal é retificado e filtrado para se obter uma saída CC. Este
circuito providencia uma tensão CC na saída igual ao valor RMS da tensão de entrada.
O amplificador inversor U7A transmite o valor absoluto do sinal que entra
independente da polarização do mesmo, para os amplificadores U7B e U8B. Se o sinal que
entra for positivo, a saída do U7A será fixada em -0,7 V (Amplificador inversor), portanto,
D10 será polarizado inversamente bloqueando a passagem de corrente através dos resistores
60
R40 e R42. Porém, o sinal positivo que entra passará pelos dos resistores R38 e R39 até as
entradas de U8B e U7B, respectivamente.
Agora, quando o sinal de entrada for negativo, este aparecerá na saída do AMPOP
U7A positivo e fluirá através do diodo D10 até as entradas dos amplificadores U7B e U8B via
resistores R40 e R42, respectivamente, e se somarão com os sinais discutidos anteriormente.
Os amplificadores U7B até U9A juntamente com os transistores U10A até o U10D formam a
etapa logarítmica (multiplicação/ divisão). A corrente de entrada dos amplificadores
operacionais U7B até U9A fluem através dos transistores logarítmicos. O sinal que entra no
amplificador operacional U9A é proporcional à tensão VBE do transistor U10D.
VBE (U 10 D ) = VBE (U 10 A) + VBE (U10C ) − VBE (U10 B )
(4.7)
A tensão entre a base e o emissor VBEs de cada transistor é proporcional ao logaritmo
das correntes que fluem através de seus coletores ICs.
log [I C (U 10 D )] = log [I C (U 10 A)] + log [I C (U 10C )] − log [I C (U 10 B )]
(4.8)
Ou
I C (U 10 D ) =
I C (U 10 A) ⋅ I C (U 10C )
I C (U 10 B )
(4.9)
Em que, I C (U 10 A) , I C (U 10 B ) , I C (U 10C ) e I C (U 10 D ) são as correntes dos
coletores dos transistores U10A até U10D, respectivamente. Uma vez que I C (U 10 A) é igual
a I C (U 10C ) , pois estão em série no circuito, a corrente do coletor do transistor U10D é
proporcional ao sinal de entrada, então o quadrado do sinal que entra no detector é gerado.
Logo, o quadrado da corrente do sinal de entrada flui através do coletor de U10D. A média é
finalizada por um dos capacitores C28 ou C28A. Estes capacitores fazem com que o
amplificador operacional funcione como um integrador cujo tempo de integração é dado por:
TLento = C 28 ⋅ R 49
(4.10)
61
Ou
TRápido = C 28 A ⋅ R 49
(4.11)
Estes capacitores são conectados no circuito através de uma chave tipo alavanca
localizada na lateral direita do medidor (Fig. 4.1 (d)). Sua posição para baixo produz uma
constante de tempo de aproximadamente 1 s (lenta) e para cima, uma constante de tempo de,
aproximadamente, 125 ms (rápida).
A saída filtrada do U10D realimenta U10B para produzir uma divisão contínua do
sinal, onde esta divisão será proporcional ao sinal de saída, produzindo uma raiz média
quadrática RMS verdadeira na saída. O termo “verdadeira” significa que este detector exibe o
valor RMS em sua saída independente da forma de onda em sua entrada. Os pares de
transistores U10A e U10B, U10C e U10D são pares casados de transistores, o circuito
integrado LM3046 possui cinco transistores em seu interior, tendo o mesmo ganho de
corrente cada. Isto é necessário, para se obter uma boa calibração deste circuito. O resistor
variável R45 é responsável pela calibração do circuito, que é realizada da seguinte maneira:
segundo a National Semiconductor Corporation, uma tensão contínua de 10 VCC é aplicada à
entrada do circuito enquanto a saída (pino 1 do U9A) é monitorada por um multímetro até que
se meça 10 VCC na saída, ajustando o resistor variável. Este ajuste do ganho do amplificador
logarítmico soma ou subtrai as tensões logarítmicas geradas pelos transistores. Isto corrige a
imprecisão dos resistores e as pequenas variações das tensões base-emissor VBE de cada
transistor.
62
Figura 4.7 – Detector de RMS Verdadeiro.
4.7 Circuito Comparador
Este estágio é responsável pelos ajustes das tensões de referências para cada nível de
pressão sonora. Para o nível admissível no período diurno, utilizou-se a norma NBR 10152
(1087), que especifica um nível de pressão sonora para áreas escolares de circulação, entre 45
– 55 dB(A). Isto significa que:
•
Se o nível de pressão sonora, no ambiente, estiver abaixo de 45 dB(A), somente o
grupo de luzes verdes acenderá;
•
Se o nível de pressão sonora do ambiente estiver entre 45 – 55 dB(A), somente o
grupo de luzes amarelas acenderá;
•
Se o nível de pressão sonora do ambiente estiver acima de 55 dB(A), somente o grupo
de luzes vermelhas acenderá;
Cada luz é gerada por um grupo de nove LEDs ligados numa associação série-
paralela. Os transistores são utilizados, para acionar os LEDs. A Fig. 4.8 mostra a
configuração do circuito comparador.
63
Figura 4.8 – Circuito Comparador.
4.8 Circuito Completo
A Fig. 4.9 mostra o circuito completo do medidor de nível de pressão sonora, desde
sua entrada até sua saída. O Quadro 4.1 mostra a lista de componentes utilizados no projeto e
o custo total do mesmo.
O valor da potência do medidor é igual a 5 W. Para a determinação deste valor
mediu-se a corrente na entrada de energia elétrica do protótipo, quando ligado em 127 VAC e,
multiplicando estes valores posteriormente determina-se a potência do indicador,
especificando, assim, seu baixo consumo de energia.
Quantidade
53
22
06
02
01
01
01
14
02
31
04
Descrição
Resistores
Capacitores
Circuito Integrado – TL072
Circuito Integrado – LM339
Circuito Integrado – LM3046
Regulador – LM7815
Regulador – LM7915
Diodos Comuns
Diodos Zener
LEDs
Trimpot
Custo total R$
2,65
10,00
9,00
6,00
5,00
3,00
3,00
2,80
0,40
12,4
4,00
64
01
01
01
01
01
Transformador ±15/1A
Fusível 100mA (Pequeno)
Cabo de Energia
Placa de Circuito Impresso
Caixa Plástica cinza
TOTAL
20,00
0,20
3,00
5,00
35,00
116,45
Quadro 4.1 – Descrição e Cotação do material utilizado (Julho/2008)
.
65
Figura 4.9 – Circuito completo do Medidor de Nível de Pressão sonora.
66
4.9 Calibração
4.9.1 Materiais Utilizados
Para efetuar a calibração do medidor os seguintes materiais foram utilizados:
•
Osciloscópio;
•
Multímetro digital;
•
Fonte sonora;
•
Analisador de ruído B&K – Pulse.
4.9.2 Procedimento de Calibração
Gerou-se ruído rosa dentro do ambiente e posicionou-se o microfone do protótipo
próximo do microfone do analisador de ruído (Fig. 4.3). Ao medir-se 45 dB(A) no Pulse,
ajustou-se internamente a tensão através do resistor variável (R41) para que os LEDs
amarelos começassem a acender e mediu-se a tensão de referência para este nível. A mesma
metodologia foi realizada para o nível de 55 dB(A) onde ajustou-se a tensão não mais através
do R41 e sim, através do resistor variável R40.
Os valores de 45 e 55 dB(A) foram escolhidos levando-se em consideração a norma
NBR 10152 (1987). Este procedimento de ajuste pode ser feito para qualquer faixa de nível de
pressão sonora normalizado.
O Quadro. 4.2 mostra alguns valores máximos de níveis de ruído em determinados
ambientes.
67
Locais
dB(A)
Apartamentos, Enfermarias, Berçários, centros cirúrgicos
35-45
Laboratórios, Áreas para uso do Público
40-50
Serviços
45-55
Bibliotecas, salas de música, Salas de desenho
35-45
Salas de Aula, Laboratórios
40-50
Circulação
45-55
Apartamentos
35-45
Restaurantes, Salas de estar
40-50
Portaria, Recepção, Circulação
45-55
Dormitórios
35-45
Salas de estar
40-50
Salas de concertos, Teatros
30-40
Salas de conferências, Cinemas, salas de uso múltiplos
35-45
Hospitais
Escolas
Hotéis
Residências
Auditórios
40-50
Restaurantes
Escritórios
Salas de reunião
30-40
Salas de gerência, Salas de projetos e de administração
35-45
Salas de computadores
45-65
Quadro 4.2 – valores máximos de níveis ruído em determinados ambientes.
Fonte: NBR10152 (1987).
Notas: a) O valor inferior da faixa representa o nível sonoro para conforto, enquanto
que o valor superior significa o nível sonoro aceitável para a finalidade;
b) Níveis superiores aos estabelecidos no quadro acima são considerados de
desconforto, sem necessariamente implicar risco de dano à saúde.
68
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Pré-Amplificador
O Quadro 5.1 mostra a resposta em freqüência do circuito pré-amplificador
balanceado. Observa-se que este circuito possui uma grande linearidade na faixa de audiofreqüência (20 Hz – 20 kHz) para o ganho teórico do amplificador não-inversor igual a “2” e
igual a “1” no amplificador inversor. A tensão de entrada utilizada foi de 2 mV (senoidal), a
qual foi utilizada durante toda a análise da resposta em freqüência do medidor. Este tipo de
circuito eletrônico utilizado nesta etapa de amplificação do sinal de entrada foi escolhido
devido a sua simplicidade e seu ganho estável em freqüência para a faixa de trabalho. Na
próxima etapa, o amplificador de instrumentação além de possuir uma alta razão de rejeição
em modo comum (RRMC), possui também um ganho em freqüência estável (Fig. 5.1).
Observa-se que o ganho teórico deste estágio é igual a 51, (ver Eq. (4.4)). A Fig. 5.1 mostra as
respostas em freqüência desta etapa. O ganho de qualquer estágio de amplificação é dado pela
razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada.
16
Tensão (mVAC)
pino1 U3
-
Tensão (mVAC)
pino7 U3
-
Tensão (mVAC)
pino1 U5
387.0
20
4.230
4.25000
395.0
25
4.260
4.26000
403.0
Freq. (Hz)
31.5
4.240
4.23000
408.0
40
4.270
4.26000
412.0
50
4.270
4.25000
414.0
63
4.260
4.23000
416.0
80
4.250
4.2800
416.0
100
4.240
4.2500
416.0
125
4.250
4.2700
416.0
160
4.240
4.2500
416.0
200
4.250
4.2500
416.0
250
4.240
4.2700
416.0
315
4.230
4.2700
416.0
400
4.240
4.2500
416.0
500
4.250
4.2600
416.0
69
630
4.250
4.200
416.0
800
4.270
4.290
416.0
1000
4.200
4.250
416.0
1250
4.270
4.220
416.0
1600
4.280
4.250
416.0
2000
4.240
4.270
416.0
2500
4.230
4.250
416.0
3150
4.260
4.270
415.0
4000
5000
6300
4.270
4.270
4.260
4.260
4.270
4.230
413.0
413.0
413.0
8000
4.270
4.260
416.0
10000
4.270
4.270
408.0
12500
4.250
4.2700
406.0
16000
4.270
4.2700
405.0
20000
4.270
4.2700
396.0
Quadro 5.1 – Resposta em freqüência da etapa de pré-amplificação.
Resposta em Freqüência
0,8
0,6
Ganho (dB)
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
20
31,5
50
80
125
200
315
500
800
1250
2000
3150
5000
8000
12500 20000
Freqüência (Hz)
Amplificador não-inversor
Amplificador inversor
Amplificador de instrumentação
Figura 5.1 – Resposta em freqüência da etapa de pré-amplificação.
5.2 Filtro de Ponderação
O Quadro 5.2 mostra os valores das bandas de freqüência, tensão medida na saída do
filtro (Pino7 U6) (ver figura 4.9) e o nível de tensão (dBV). A Fig. 5.2 mostra a resposta em
freqüência do Filtro versus a curva de compensação padrão. Nota-se, em comparação com a
norma IEC61672 (2002), que o erro está dentro dos valores aceitáveis na norma, para os
medidores Classe 1 na faixa de 20 Hz a 20 kHz. Portanto, o sinal na saída deste filtro sofre
70
uma variação em sua amplitude, em função da freqüência, proporcional à curva de
ponderação “A”.
Freqüências Nominais
(Hz)
10
12,5
16
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
IEC 61672-1
Ponderações (dB)
Limites de Tolerância
A
Classe 1
-70,4
+3,5; − ∞
+3,0; − ∞
-63,4
+2,5;-4,5
-56,7
-50,5
±2,5
+2,5;-2,0
-44,7
-39,4
±2,0
-34,6
±1,5
±1,5
-30,2
-26,2
±1,5
-22,5
±1,5
±1,5
-19,1
-16,1
±1,5
-13,4
±1,5
±1,5
-10,9
-8,6
±1,4
-6,6
±1,4
±1,4
-4,8
-3,2
±1,4
-1,9
±1,4
±1,4
-0,8
0
±1,1
+0,6
±1,4
±1,6
+1,0
+1,2
±1,6
+1,3
±1,6
±1,6
+1,2
+1,0
±1,6
+0,5
±2,1
-0,1
+2,1;-2,6
-1,1
+2,1;-3,1
-2,5
+2,6;-3,6
+3,0;-6,0
-4,3
+3,5;-17,0
-6,6
-9,3
+4,0; − ∞
Filtro
Erro
(dBV – dB)
9,1
6,1
3,7
0,9
0,3
0
0,4
0,2
0,3
0,5
0,4
0,4
0,7
0,5
0,6
0,5
0,5
0,3
0,2
0,1
0
-0,1
-0,1
-0,1
-0,1
0
0,1
0,2
0,4
0,7
1,2
1,8
2,4
3,2
Ponderações (dBV)
A
-61,3
-57,3
-53,0
-49,6
-44,4
-39,4
-34,2
-30,0
-25,9
-22,0
-18,7
-15,7
-12,7
-10,4
-8,0
-6,1
-4,3
-2,9
-1,7
-0,7
0
0,5
0,9
1,1
1,2
1,2
1,1
0,7
0,3
-0,4
-1,3
-2,5
-4,2
-6,1
Quadro 5.2 – Ponderações em freqüência e Limites de Tolerância para a Resposta A.
Fonte: IEC 61672-1 (2002).
71
Curva Padrão Versus Filtro Eletrônico
10
0
Ganho (dBA)
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
10
12.5
16
20
25
31.5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
-80
Freqüência (Hz)
Ponderação A
Filtro Eletrônico
Figura 5.2 – Resposta em freqüência do Filtro versus Curva de Compensação Padrão.
5.3 Detector de RMS
A tensão RMS na saída deste circuito medida com um multímetro na escala CC é
igual ao valor da tensão RMS em sua entrada medida com o mesmo multímetro na escala AC.
Para uma tensão de pico de 1 V injetada em sua entrada e medida com um osciloscópio, a
tensão de saída será igual à aproximadamente 707 mV medida com um multímetro na escala
CC. O Quadro 5.3 mostra os valores das tensões de entrada e saída desta etapa do medidor
onde se observa sua linearidade em função da freqüência do sinal de entrada. Na freqüência
de 16 Hz e 20 Hz não se pode medir a tensão devido o valor ser muito pequeno e instável.
Freq. (Hz)
16
Tensão
(mVAC)
pino7 U6
-
Tensão
(mVCC)
pino1 U9
-
20
-
-
25
5.23
5.27
31.5
9.23
9.24
40
15.8
15.7
50
26.1
26.1
63
42.4
42.4
80
67.5
67.8
100
98.7
99.8
72
125
141
141
160
198
200
200
263
264
250
336
340
315
426
527
400
526
560
500
622
640
630
720
740
800
815
840
1000
887
900
1250
953
953
1600
1000
1000
2000
1020
1030
2500
1040
1030
3150
1030
1010
4000
1020
989
5000
6300
984
936
982
936
8000
861
866
10000
772
780
12500
667
688
16000
546
540
20000
428
429
Quadro 5.3 – Valores das tensões de entrada e saída do detector de RMS.
5.4 Circuito Comparador Logarítmico
O Quadro 5.4 mostra os valores das tensões de referência e seus NPS
correspondentes. A tensão de 79 mV representa um nível de ruído no ambiente igual a 45
dB(A), enquanto que o valor de tensão de 250 mV representa o nível de 55 dB(A). Estes
valores de tensão foram ajustados para serem os valores das tensões de referência inferior e
superior na etapa do circuito comparador e foram medidos com relação ao GND, no pino 5 de
U7 e pino 9 de U6, respectivamente. Portanto, se o sinal de entrada estiver abaixo de 45
dB(A), os leds verdes acenderão e se estiver entre 45 e 55 dB(A), acenderão os leds amarelos
e acima de 55 dB(A) os leds vermelhos acenderão. Os baixos valores para as tensões de
referência devem ao fato de não se ter um estágio de amplificação do sinal após o circuito
detector de RMS. Este fato provocou uma dificuldade no ajuste dos valores das tensões de
referência.
73
Tensão (mV)
NPS (dB(A))
Vref - inferior
79
45
Vref - superior
250
55
Quadro 5.4 – Valores de Tensão para cada NPS.
74
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
6.1 Conclusões
Com relação ao indicador de faixa de nível de pressão sonora, concluiu-se que, não
há necessidade de se utilizar medidores de custo elevado para o monitoramento de ruídos em
ambientes escolares, pois utilizando pouco componentes eletrônicos é possível desenvolver
um indicador de faixa de nível de ruído relativamente aceitável para o monitoramento, com
um custo muito baixo e que fornece uma resposta confiável e segura dos níveis de ruído de
forma visivelmente fácil de verificar.
Concluiu-se também que, antes da instalação do equipamento em ambientes não
escolares, deve-se ajustar internamente o mesmo para cada nível normalizado.
O fato da fonte de alimentação se encontrar embarcada ao circuito de
condicionamento do sinal aumenta o risco de interferências eletromagnéticas e faz-se
necessário realizar uma blindagem contra estas interferências ou utilizar uma fonte de
alimentação externa.
A utilização deste protótipo em locais como sala de aula ou corredores próximos a
ela faz com que os alunos e outras pessoas que se encontram nestes ambientes adquiram a
consciência de não fazer barulhos que possam vir a perturbar as aulas provocando um baixo
rendimento escolar ou um esgotamento físico do aluno que deseja se manter concentrado
durante as aulas, Além, do esforço extra das cordas vocais do professor.
Com relação ao custo verificou-se a viabilidade de se construir indicadores como
esse em grande escala, que possam ser distribuídos por vários pontos de uma escola,
despertando a consciência, atenção e sensibilizando as pessoas contra a exposição a níveis
excessivos de ruído.
Finalmente, verificou-se ser possível utilizar toda a base teórica de amplificadores
operacionais para o projeto de um simples indicador de faixa de nível de ruído permanente
utilizado no combate à poluição sonora.
Utilizando uma etapa de conversão analógica para digital é possível transformar este
indicador de faixa de nível de ruído em um medidor de nível de pressão sonora.
75
Em geral, o microfone é um dos componentes de custo mais elevado em um medidor
de nível de pressão sonora, porém o microfone utilizado no protótipo é de baixo custo e,
mesmo assim, possui uma excelente resposta em freqüência para a finalidade deste trabalho.
6.2 Indicações para Trabalhos Futuros
Recomenda-se para trabalhos futuros:
¾
Transformar o circuito do indicador de faixa de nível de pressão sonora em um
medidor de nível de pressão sonora, apenas acrescentando uma etapa de conversão
analógica para digital em sua saída.
¾
Construir vários pontos de monitoramento de ruído distribuídos no campus 01
da UFPA e interligá-los via internet a uma central de monitoramento, o que possibilitará
a criação do mapa acústico do campus em tempo real, a fim de observar quais as áreas
mais ruidosas para que se possa tomar alguma iniciativa de controle do ruído nestas
regiões.
¾
Expandir o sistema de monitoramento permanente de ruído para o centro da
cidade de Belém, já que esta foi considerada uma das cidades mais ruidosas do Brasil.
¾
Projetar mais estágios de amplificação do sinal do microfone depois do filtro e
depois da saída do detector de RMS, para que os valores das tensões de referência no
circuito comparador aumentem e, com isso, aumentar a facilidade de ajustes dessas
tensões.
¾
Utilizar a saída do indicador não somente para acender os LEDs, mas também
para acionar um aviso sonoro, ou luminoso, ou ambos, dependendo do que se considerar
plausível para determinada situação, sempre que o nível de ruído no ambiente exceder
um determinado valor estabelecido em normas, apenas ajustando internamente as
tensões de referência no circuito.
76
REFERÊNCIAS
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2006.
Brüel&Kjaer. Environmental Noise. Disponível em: <http://www.bksv.gcom/Library/
Primers.aspx>. Acesso em: 16 out. 2007.
COSTA, Dênio G. Microfone: Características e Aplicações. In: Primeiro Seminário de
Engenharia de Áudio – SemEA, Anais... Belo Horizonte, 2002.
ELLIOTT. Elliott Sound Products. Disponível em: <http://sound.westhost.com/projects.htm>
Acesso em: 16 ago. 2007.
FUSINATO, Vitorino A. Minicurso de Acústica e Ruído. In: XV Semana da
Física.Universidade Estadual de Maringá - Paraná, 2005.
GERGES, Samir N. Y. Ruído: Fundamentos e Controle. 2. ed. Florianópolis. NR Editora,
2000.
HANS, Ramon F. Avaliação de Ruído em Escolas. Rio Grande do Sul: 2001. Dissertação
(Mestrado de Engenharia Mecânica)-Coordenação do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul, 2001.
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 61672: ElectroacousticsSound level meters. – Part 1: Especifications. Geneva, 2002.
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 60942: ElectroacousticsSound calibrators – Especifications. Geneva, 2003.
MALVINO, Albert P. Eletrônica, v.1 e 2., 4. ed. São Paulo: Markron Books, 1997.
NATIONAL: True rms Detector. Disponível em: <http://www.national.com/ms/LB/LB25.pdf> Acesso em: 26 nov. 2007.
77
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10151: Acústica-Avaliação
do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade – Procedimento. Rio de
Janeiro, 2000.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10152: Níveis de ruído para
conforto acústico – Procedimento. Rio de Janeiro, 1987.
SILVA, Pérides. Acústica arquitetônica e condicionamento de ar. 4. ed. Belo Horizonte:
Edtal, 2002.