Análise de ruído mais eficiente com tecnologia de medição de última geração

Removendo o ruído de informações úteis

Entender as fontes e causas dos ruídos acústicos de máquinas ou componentes de sistemas em análise tem se tornado cada vez mais importante no desenvolvimento, teste, serviço, manutenção, etc. A análise acústica é crucial para o conforto, a saúde ocupacional / segurança e imagem da marca no completo ciclo de vida de um produto.

No passado, a Engenharia empregava ferramentas específicas na análise acústica, trabalhando com diferentes dispositivos, interfaces de usuários, filosofias e formatos de dados. Hoje, sistemas de aquisição de dados como o QuantumX e o software catman®AP da HBM oferecem também a possibilidade de uma análise detalhada em acústica, além de um conjunto completo de recursos para aquisição de sinais de deformação, força, temperatura, tensão, corrente, interface CAN, GPS e sinais de vídeo. Na medição em acústica, pode-se utilizar recursos como análise do nível de som em ponderação dB(A) com avaliação psicoacústica, de acordo com a intensidade e análise de freqüência no espectrograma 2-D.

Com estas ferramentas multiuso de medição, os engenheiros podem realizar trabalhos de aquisição e análise de forma rápida e fácil com apenas alguns cliques e salvar todos os dados em um único arquivo. Esta abordagem não permite apenas medições mais efetivas de eventos, mas também, simplifica e acelera a comparação com resultados anteriores de medição em estudos de análise de tendência. Finalmente, estas ferramentas oferecem uma solução compacta e portátil necessária para serviços e tarefas de manutenção.

Engenharia acústica

No mercado automotivo, o termo NVH (Noise, Vibration and Harshness) é comumentemente usado para descrever ruídos ou vibrações perceptíveis em veículos e máquinas. Harshness é a região subjetiva de transição entre 20 e 100 Hz. A vibração surge da força de uma fonte em estruturas que transmitem vibrações, como efeitos induzidos de stick-slip. O NVH é aplicado em testes de palhetas de limpadores de pára-brisa, sistemas de transmissão, embreagem, sistemas de ar condicionado, entre outros.

O NVH surge a partir de qualquer efeito secundário de atrito desejado ou indesejado entre partes, o que acarreta a emissão de ruídos transmitidos pela estrutura e propagados pelo ar. Em um sólido sem restrições em suas laterais, propagam-se dois tipos diferentes de ondas sonoras originárias da estrutura: ondas chamadas de longitudinais e transversais. Estas ondas propagam-se independente uma da outra. Em ambos os casos, a velocidade do som, assim como o ruído propagado pelo ar, não depende da freqüência. A velocidade do som é afetada pela densidade, pelo módulo de rigidez (ondas transversais) e pelo módulo de elasticidade (ondas longitudinais).

A gravação e análise de ruídos da estrutura desempenha um papel importante na engenharia. Durante o desenvolvimento de sistemas mecânicos, a análise de ruído pode auxiliar o teste de funções globais, run-up, performance, durabilidade e até mesmo, ciclo de vida. Na produção, a análise de ruído pode incrementar processos de inspeção de qualidade, garantindo que restrições acústicas sejam atendidas durante a integração de peças no interior dos carros, conjunto de direção, entre outros. Através do ciclo de vida do produto, a medição de ruído fornece informações críticas necessárias para análise contínua da parte estrutural de longo prazo e dados de diagnóstico durante inspeções de rotina, investigação de falhas, solução de problemas, calibração, ajustes, etc. Engenheiros podem analisar as propriedades do ruído do sistema ou o status de um equipamento para a solução de problemas como desgaste de rolamento ou registro de dados relacionado com o desenvolvimento de fendas nos materiais.

A natureza do ruído

Com o NVH, busca-se evitar vibrações que possam reduzir o conforto. A natureza do desconforto acústico refere-se à variedade das características da fonte, incluindo o nível de pressão sonora. Por exemplo, o som de um motor a jato funcionando, um concerto de rock ou um caminhão pesado podem ser desconfortáveis apenas devido aos altos níveis de pressão sonora que produzem.

A relação entre as características de uma fonte de ruído e a percepção do ruído pode ser complexa. O ouvido humano capta o som em diferentes freqüências. O nível de pressão sonora ou nível de ruído é uma grandeza psicoacústica. Durante a medição, os sinais de ruído são filtrados para que imitem as propriedades do ouvido humano, que cai a partir de determinados valores: 2kHz para 4kHz. As curvas de ponderação destes filtros são padronizadas.

O chamado nível de pressão sonora de coeficiente A, dB(A). O Zero dB(A) corresponde ao limite da audição (limite auditivo). A curva de filtro de coeficiente A é definida de 20Hz até 20kHz. Responde como uma réplica aproximada de intensidade 40dB da curva de "equal-loudness contours" para baixas freqüências. O limiar de uma dor causada pelo ruído é de, aproximadamente, 130dB(A). É muito fácil converter pressão sonora em nível de pressão sonora (SPL - Sound Pressure Level) usando "canais computacionais" de um mecanismo avançado de medição acústica.

Medição de ruído

A medição geral de acústica costuma iniciar com o uso de um microfone de qualidade. Usando o microfone de medição Microtech Gefell M370 como exemplo, o tipo de conversor embutido no microfone inclui um receptor de pressão de electreto com uma característica circular. A corrente constante do amplificador QuantumX MX410B alimenta o microfone e a pressão sonora medida é modulada para um sinal de tensão (IEPE). A faixa de freqüência está entre 20Hz e 20KHz (classe 1, campo livre). O nível máximo de pressão sonora é de130dB (A).

Para a aquisição e processamento de sinal real, ferramentas como o QuantumX e o software catman®AP fornecem uma plataforma completa de processamento de sinais acústicos. O QuantumX é uma solução modular de aquisição de dados capaz de coletar dados de 0,1 até 100 kS/seg, simultaneamente, para múltiplos sensores como: de medição de força, deformação, torque, pressão, temperatura, deslocamento, velocidade, posição, aceleração, vazão, tensão, corrente, ruído e muitas outras. O software catman®AP fornece uma biblioteca matemática integrada para cálculos online e pós-processamento. As funções matemáticas vão desde cálculos básicos de álgebra, filtros, estatísticas e classificações, como rain flow ou time-at-level até análise espectral, cálculo de potência elétrica e eficiência através de simples parametrização.

Com o conjunto de ferramentas de medição e análise QuantumX / catman®AP, engenheiros podem analisar todas as grandezas físicas de sistemas ou produtos em análise, incluindo som, para fins de engenharia, testes, produção ou manutenção.

Requisitos para uma análise de ruído

Para descobrir as causas básicas do ruído, dependemos de várias funções analíticas essenciais para fornecer uma imagem clara do sistema em teste, incluindo o ruído. Entre estas funções, incluem-se:

Comportamento ao longo do tempo, freqüência, ângulo ou outras grandezas, como deslocamento ou velocidade rotacional (tacômetro);
Comportamento em um espectograma colorido, como PSD (Power-Spectral-Density);
Característica de nível de som global em dB (A);
Característica de nível limitado por banda em dB (A).

Analisar um sinal na freqüência de domínio não mostra como o conteúdo de um sinal de freqüência evolui ao longo do tempo. Para esta tarefa, recursos como o espectrograma no catman® fornece o resultado esperado. Este espectrograma mostra a JTFA - Joint-Time-Frequency-Analysis para calcular as freqüências contidas em um sinal de amplitudes com código de cores associados ao longo do tempo. O software catman® usa o chamado STFT - Short Time Fourier Transform para calcular o JTFA e aplicar um FFT - Fast Fourier Transform repetidamente para pequenos segmentos de um sinal ao longo do tempo. Na teoria, o JTFA de um espectrograma mostra mais detalhes que um FFT padrão: freqüência (eixo Y) sobre a evolução do tempo (eixo X), mostrados em uma visualização 2-D, onde a amplitude ou a energia são mapeadas em um código de cor.

O JTFA depende de parâmetros como o número de valores medidos usados para calcular o espectro. A regra para estas medições é: quanto mais valores de medição você incluir no FFT, mais precisa será a resolução na faixa de freqüência. Outro parâmetro é a função de janela, que determina o coeficiente a ser aplicado para valores derivados de amostragem de um sinal dentro de uma janela, quando são usados no cálculo. Se múltiplos canais são designados para o gráfico, o espectro dos canais também pode ser mostrado como a soma vetorial.