Como escolher o melhor medidor de nível de pressão sonora para medição precisa de ruído

Comprar um medidor de nível de pressão sonora é uma experiência estranha. Uma dúzia de instrumentos parecem quase idênticos, ficam dentro de uma faixa estreita de preços e todos prometem “alta precisão”. As diferenças que realmente decidem se seus dados sobreviverão ao escrutínio raramente são visíveis na foto de um produto. Eles vivem na cápsula do microfone, na classe de tolerância para a qual o instrumento foi aprovado, na faixa de frequência que ele pode cobrir honestamente e nas informações que ele lhe entrega quando a medição termina.

Passamos nossos dias de trabalho construindo cadeias de medição de ruído e vibração, então nossa visão é prática: não existe um medidor de nível de pressão sonora melhor, apenas a melhor combinação entre um instrumento e um trabalho. Este guia explica o que esses instrumentos realmente medem, como funciona a distinção entre Classe 1 e Classe 2, quando um medidor portátil deixa de ser suficiente e quais especificações merecem sua atenção antes de você se comprometer.

O que um medidor de nível de pressão sonora realmente mede

O som é uma flutuação rápida e minúscula na pressão do ar. O fundo de um escritório silencioso move o ar em uma fração de pascal, uma conversa normal em alguns centésimos de pascal e um motor a jato a curta distância em dezenas de pascal. Como esse intervalo cobre vários milhões para um, ele é comprimido em uma escala logarítmica, o decibel, com uma pressão de referência de 20 micropascais (µPa) – aproximadamente o tom mais silencioso de 1 kHz que um ouvido jovem e saudável pode detectar.

Qualquer que seja o preço, cada medidor de nível de pressão sonora contém os mesmos quatro blocos. Uma cápsula de microfone converte a pressão em uma voltagem muito pequena. Um pré-amplificador armazena essa voltagem e aciona um cabo sem adicionar ruído. A eletrônica de conversão e processamento aplica ponderação de frequência e ponderação de tempo ao sinal. Um display, cartão de memória ou link de rede transporta o resultado para fora do instrumento. O que muda entre um medidor barato e uma cadeia de laboratório não é a arquitetura, mas a fidelidade do desempenho de cada bloco e quanto do sinal original você pode manter.

Um medidor que mostra apenas um número esconde muitas decisões que foram tomadas em seu nome. Antes de comparar modelos, é útil ser fluente no vocabulário da folha de especificações:

• NPS (dB re 20 µPa): o nível de pressão sonora instantâneo, o número que as pessoas querem dizer quando perguntam o quão alto algo está.
• Ponderação A: um filtro que atenua baixas frequências de forma a imitar a audição humana; é a base de quase todos os limites de ruído ambiental e no local de trabalho.
• Ponderação C e Z (plana): conteúdo de baixa frequência mais pesado e sem nenhuma ponderação, usado para níveis de pico, testes de equipamentos e qualquer análise em que você não queira que a opinião do instrumento seja incorporada aos dados.
• Ponderação de tempo: as curvas de resposta rápida, lenta e de impulso que controlam a rapidez com que o nível exibido segue um sinal variável.
• Leq: o nível contínuo equivalente, uma média de energia durante um determinado período e um resumo muito melhor de uma fonte flutuante do que qualquer instante único.
• Lmax, Lmin e Lpico: os extremos, com o pico medido em um detector muito mais rápido do que o display pode acompanhar.
• Bandas de oitava e terceira oitava: o nível dividido por frequência, que é o que você precisa para identificar uma fonte tonal ou comparar um resultado com uma curva de classificação de ruído.
• Níveis estatísticos (L10, L50, L90): os níveis excedidos durante 10, 50 e 90 por cento de um período de medição, amplamente utilizado na avaliação de tráfego e ruído comunitário.

Um instrumento que reporta apenas o primeiro item dessa lista é uma ferramenta de triagem. Um instrumento que relata todos eles, com memória e bateria suficientes para continuar funcionando por dias, é um instrumento de monitoramento. Decidir qual dos dois você realmente precisa é a primeira decisão de compra honesta.

Combinando o instrumento com o trabalho

O mesmo princípio de medição atende a tarefas muito diferentes e as tarefas impõem demandas diferentes ao hardware. A maioria dos erros de compra vem da escolha de um instrumento que é excelente para um trabalho e inadequado para o trabalho que está sendo realizado.

Classes de Precisão: Classe 1, Classe 2 e Cadeia de Laboratório

A IEC 61672-1 define duas classes de desempenho para medidores de nível sonoro. Um instrumento de Classe 1 deve manter tolerâncias mais rígidas em uma faixa de frequência mais ampla do que um instrumento de Classe 2, e ambas as classes são verificadas por meio de aprovação de tipo e, em muitos países, verificação periódica do instrumento individual. A Classe 1 é normalmente esperada sempre que um resultado pode ser contestado – relatórios de conformidade, disputas legais, declarações de produtos – enquanto a Classe 2 é adequada para pesquisas gerais, triagem e verificações internas.

O rótulo da classe, entretanto, descreve o medidor. Não diz nada sobre o quão bem você o usou, como o microfone foi montado ou se a cadeia de medição foi verificada naquele dia. Um medidor Classe 1 apontado para o local errado, sem pára-brisas e sob uma brisa leve, produzirá dados piores do que um medidor Classe 2 usado com cuidado.

A terceira rota – um microfone de medição alimentando um analisador de sinal dinâmico – fica completamente fora do sistema de classe portátil. Sua precisão é propriedade de toda a cadeia: cápsula, pré-amplificador, cabeamento, digitalizador e calibração. Isso lhe dá liberdade, mas também significa que a responsabilidade pela rastreabilidade é sua.

O microfone decide mais do que o medidor

Se você tirar uma ideia deste artigo, que seja esta: na maioria das situações práticas, a cápsula do microfone e seu pré-amplificador limitam a qualidade de uma medição muito antes da eletrônica. Uma cápsula de precisão com um pré-amplificador bem combinado na frente de um digitalizador comum sempre superará um excelente digitalizador alimentado por uma cápsula medíocre.

Os microfones condensadores de medição são especificados por diâmetro por uma razão. Uma cápsula de meia polegada oferece um bom compromisso entre sensibilidade e comportamento de alta frequência, enquanto uma cápsula de um quarto de polegada sacrifica a sensibilidade para uma resposta mais ampla e plana e melhor desempenho em níveis sonoros elevados e em espaços confinados. Versões de campo livre, pressão e incidência aleatória corretas para diferentes ambientes acústicos; escolher o errado introduz alguns décimos de decibel de erro em altas frequências, o que é importante quando você compara resultados entre laboratórios.

A polarização é a outra decisão. Microfones polarizados externamente precisam de uma fonte separada de 200 V e oferecem excelente estabilidade a longo prazo. Os tipos pré-polarizados (CCP/IEPE) funcionam a partir de uma simples fonte de corrente constante, e é por isso que se integram tão facilmente com hardware moderno de aquisição de dados, incluindo nossa própria linha de microfones condensadores acústicos, onde a cápsula, o pré-amplificador e o arranjo de alimentação são combinados para que a sensibilidade com a qual você calibra seja a sensibilidade com a qual você mede.

Do microfone aos dados: o que o analisador adiciona

Os medidores portáteis descartam deliberadamente informações. A maioria deles calcula o nível em relação ao tempo e mantém apenas o resumo. Um analisador de sinal dinâmico faz o oposto: armazena a forma de onda bruta e calibrada do microfone para que todas as perguntas posteriores – níveis de banda, espectro, tonalidade, impulsividade, correlação com a velocidade da máquina – possam ser respondidas a partir do mesmo registro, sem uma segunda visita ao local.

Os requisitos são simples de declarar. O front-end analógico deve fornecer energia de corrente constante ao microfone, normalmente alguns miliamperes de 18 a 24 volts. O conversor analógico-digital deve ser de 24 bits com amostragem simultânea em todos os canais, para que as relações de fase entre microfones e acelerômetros sejam preservadas. A taxa de amostragem deve exceder o dobro da frequência mais alta de interesse e, na prática, você deseja uma margem consideravelmente maior do que isso se pretende capturar eventos impulsivos ou reutilizar a forma de onda para reprodução. Um instrumento de canal único de alta velocidade como o ZTU8301C, que faz amostragem de até 256 kHz, é exatamente o tipo de ferramenta que transforma um microfone em uma estação de medição completa.

Analisador de sinal dinâmico de canal único ZT-U8301C 256 kHz Um analisador USB de canal único de 24 bits com amostragem de 256 kHz, alimentação IEPE e filtragem anti-aliasing para transformar microfones em estações de medição. Ver Produto →

Se você ainda não tem certeza de onde termina um instrumento de uso geral e começa um analisador genuíno, esta breve explicação do como um analisador de sinal dinâmico difere de um instrumento tradicional é um lugar útil para começar.

Quando um microfone não é suficiente

Muitos problemas de ruído não podem ser resolvidos a partir de um único ponto. Localizar uma fonte em uma máquina grande, mapear um campo sonoro ao redor de um veículo, medir o ruído de passagem ou monitorar diversas posições ao redor de uma planta, tudo depende de muitos canais gravados no mesmo instante. A correspondência de fase canal a canal torna-se mais importante do que a precisão absoluta, porque a informação útil está nas diferenças entre os canais.

É aí que a contagem de canais e a taxa de transferência de dados assumem o controle da especificação da cápsula. Um analisador baseado em cartão como o ZTG9232I, com 32 canais transmitidos por Ethernet gigabit, fornece um instantâneo síncrono de uma estrutura inteira em uma única passagem e permite que o mesmo hardware sirva tanto os conjuntos acústicos quanto os canais do acelerômetro que geralmente os acompanham.

Analisador de sinal dinâmico Gigabit Ethernet de 32 canais ZT-G9232I Um analisador Ethernet de 32 canais e 24 bits para tensão síncrona, IEPE e aquisição de deformação em monitoramento multiponto de vibração e ruído. Ver Produto →

Para trabalho multiponto, faça um orçamento para o cabeamento e o tempo de gravação com o mesmo cuidado que você faz para os canais. Um registro de 32 canais com uma alta taxa de amostragem preenche o armazenamento com uma rapidez surpreendente, e a capacidade de acionar, pré-acionar e segmentar gravações geralmente é mais importante do que a largura de banda bruta.

Calibração, rastreabilidade e verificações de campo

Toda cadeia de medição acústica oscila e todo resultado importante deve ser defendido. A rotina é simples: aplique um calibrador acústico ao microfone imediatamente antes da medição e novamente imediatamente depois. Se as duas verificações concordarem dentro de uma pequena margem, a cadeia é considerada estável durante todo o período. Se discordarem, os dados entre eles são suspeitos, independentemente de quão elegante seja o espectro.

Os calibradores de campo normalmente produzem 94 dB e 114 dB a 1 kHz no microfone montado, sendo um calibrador Classe 1 especificado pela IEC 60942 o companheiro apropriado para uma cadeia de medição Classe 1. Além das verificações diárias, o instrumento e o microfone devem voltar a um laboratório em intervalos definidos para verificação, para que a rastreabilidade dos seus resultados não dependa de um dispositivo que ficou à deriva silenciosamente durante três anos.

• Correções ambientais. Temperatura, umidade e pressão estática influenciam a sensibilidade da cápsula, e os maiores efeitos aparecem nos extremos da faixa operacional, e não em um laboratório confortável.
• Pára-brisas. Ao ar livre, um pára-brisa é essencial; seu efeito de inserção é pequeno, mas não zero, e deve ser levado em consideração quando os resultados são relatados em uma fração de decibel.
• Ruído de fundo. Quando a fonte de interesse está apenas alguns decibéis acima do fundo, o nível medido é parcialmente o fundo. A prática padrão é aplicar uma correção quando a diferença for pequena e descartar a medição quando a fonte mal exceder o fundo.
• Montagem e orientação. As reflexões do operador, de um tripé ou do plano de terra podem exceder a classe de precisão do próprio instrumento.

Medidor portátil ou cadeia de medição? Um caminho de decisão

A escolha geralmente se resolve quando você responde honestamente a três perguntas. Você precisa defender o número em um contexto formal? Você precisa entender a fonte, em vez de apenas quantificá-la? Alguém fará uma nova pergunta sobre esses dados daqui a seis meses?

• Duas ou três respostas “não” apontam para um medidor portátil Classe 2, usado com cuidado, verificado com um calibrador.
• Um “sim” na defensibilidade formal aponta para um instrumento de Classe 1 com registro e um histórico de verificação documentado.
• Um "sim" na compreensão da fonte, ou em futuras reanálises, aponta para uma cadeia de microfone e analisador onde o sinal bruto é preservado.

Muitas equipes acabam com ambos: um medidor portátil para pesquisas rápidas e um sistema baseado em canal para medições que geram relatórios. Se o seu trabalho envolve ruído e vibração juntos, vale a pena rever como os dois lados se encaixam em uma única arquitetura, que é o que nosso sistemas de testes de vibração e dinâmicos são construídos em torno de sensores compartilhados, aquisição compartilhada e um ambiente de análise comum.

Especificações para verificar antes de comprar

A lista a seguir é aquela que aplicaríamos a qualquer instrumento candidato, independentemente da marca ou faixa de preço. Trabalhe em ordem e a maioria dos modelos inadequados serão eliminados.

1. Tipo e diâmetro do microfone. Confirme se a cápsula é de campo livre, de pressão ou de incidência aleatória e se é pré-polarizada ou polarizada externamente.
2. Faixa de frequência. Verifique a faixa na qual a tolerância declarada realmente se aplica, e não a faixa na qual o instrumento apenas produz um número.
3. Faixa dinâmica e ruído próprio. Uma ampla faixa só é útil se a extremidade inferior for genuinamente silenciosa o suficiente para o nível mais baixo esperado.
4. Ponderação e constantes de tempo. As ponderações A, C e Z, além de Rápido, Lento e Impulso, cobrem a grande maioria dos trabalhos baseados em padrões.
5. Registro de dados e memória. Determine quantos dias de gravação autônoma o instrumento pode conter e como os dados são recuperados.
6. Taxa de amostragem e profundidade de bits. Para trabalho de análise, procure conversão de 24 bits e amostragem simultânea em todos os canais.
7. Tipo de entrada e potência do sensor. Entradas de tensão, IEPE e carga, com alimentação de corrente constante adequada para cabos longos, mantêm suas opções em aberto.
8. Contagem de canais. Compre pela maior medida que você espera realisticamente, e não pela menor que você possa imaginar.
9. Interface e sincronização. USB para trabalho portátil em unidade única; Ethernet para instalações permanentes e sincronização de múltiplas unidades.
10. Software e exportação. Verifique se os resultados podem ser exportados em formatos que seu fluxo de trabalho de relatórios já utiliza, sem um conversor proprietário.
11. Caminho de calibração. Confirme se a cápsula pode ser calibrada com um calibrador de campo padrão e verificada em laboratório.
12. Proteção ambiental. O uso externo e industrial exige conectores, invólucros e cabeamento classificados para as condições que atenderão.

Onde as medições de pressão sonora dão errado

Depois de visitas suficientes ao local, o mesmo punhado de erros aparece repetidamente, e nenhum deles é causado pelo instrumento ser da classe errada.

• Medindo com uma brisa sem pára-brisa e depois me perguntando por que o nível de baixa frequência está inflado.
• Ficar entre a fonte e o microfone e medir o reflexo em vez da fonte.
• Gravar um nível apenas alguns decibéis acima do fundo e reportá-lo como se fosse apenas a fonte.
• Usando dados ponderados A para investigar um problema de baixa frequência que a ponderação A foi projetada para diminuir a ênfase.
• Esquecer que um único valor de Leq não pode descrever uma fonte impulsiva e omitir totalmente as medições de pico.
• Calibrar no início de uma pesquisa e não no final, para que nada verifique a cadeia durante as horas intermediárias.
• Registrando apenas níveis resumidos e descobrindo mais tarde que a questão interessante precisava da forma de onda.

Observe quantos desses problemas são resolvidos não gastando mais dinheiro, mas decidindo antecipadamente o que os dados devem responder. Um plano de medição curto e escrito, de uma página, evita a maioria deles.

Unindo ruído e vibração

Na prática, a pressão sonora raramente chega sozinha. Uma máquina barulhenta geralmente também vibra, e as duas medições respondem a metades diferentes da mesma pergunta. Os microfones captam o que o operador ouve; acelerômetros e sensores de força revelam de onde vem a energia e como ela viaja pela estrutura antes de irradiar como ruído.

Como o hardware de aquisição é compartilhado, o custo marginal de adicionar canais de vibração a uma medição de ruído é pequeno. O mesmo analisador registra microfone, acelerômetro e canais de força simultaneamente, de modo que o rastreamento de pedidos, a análise modal e os estudos de caminho de transferência sejam executados em dados capturados em uma única sessão. Onde a medição acústica precisa de um certificado de calibração, os canais de vibração precisam de sua própria rota de calibração e ambos se beneficiam da verificação conjunta antes da máquina começar a funcionar.

Perguntas frequentes

Um medidor Classe 1 é sempre a melhor escolha?

Não automaticamente. A Classe 1 oferece tolerâncias mais rígidas e uma faixa de frequência verificada mais ampla, o que é essencial quando um resultado deve ser defendido formalmente. Para triagem de rotina e comparações internas, um instrumento Classe 2 usado cuidadosamente produz números perfeitamente utilizáveis. O que torna qualquer uma das classes confiável é a disciplina de calibração e a prática sensata de medição.

Um aplicativo para smartphone pode substituir um medidor de nível de pressão sonora?

Um microfone de telefone foi projetado para fala, não para metrologia. Sua resposta de frequência é irregular, seu controle automático de ganho pode estar ativo e sua sensibilidade absoluta não é rastreável. Os aplicativos de telefone são úteis para uma indicação aproximada se um espaço é barulhento e para nada que precise ser anotado em um relatório.

Com que frequência a corrente deve ser calibrada?

Verificações de campo antes e depois de cada sessão de medição, sem exceção. Verificação laboratorial do instrumento e da cápsula em intervalos definidos pelo seu sistema de qualidade ou pela regulamentação sob a qual você trabalha. Se uma verificação de campo estiver fora da margem de aceitação, trate toda a sessão como suspeita.

Eu realmente preciso de dados de banda de oitava?

Se você precisa saber qual é o ruído, e não apenas quão alto ele é, então sim. Um único nível ponderado A não diz nada sobre se um problema é tonal, de baixa frequência ou de banda larga, e a estratégia de mitigação é completamente diferente em cada caso. Os dados de banda também são os que compõem a maioria dos esquemas de classificação de ruído.

Quanto deve custar um bom medidor de nível de pressão sonora?

Os preços monitoram a capacidade e não a marca. Um medidor de triagem, um instrumento de registro Classe 1 e uma cadeia de análise multicanal ficam em três faixas orçamentárias claramente separadas, e o fator decisivo deve ser qual faixa corresponde às perguntas que você precisa responder. Comprar uma aula acima da sua necessidade é acessível; comprar uma classe abaixo geralmente significa repetir o trabalho.

Procurar o melhor medidor de nível de pressão sonora é realmente uma questão sobre a intenção de medição. Decida o que os dados devem provar, quanto tempo devem sobreviver e quem poderá reexamina-los, e a folha de especificações se tornará muito mais fácil de ler. Escolha primeiro a cápsula, depois os componentes eletrônicos de conversão e por último o invólucro – depois calibre toda a cadeia antes de confiar em um único número que ela produz. Essa ordem de pensamento nos serviu bem em pontes, salas de máquinas, laboratórios e canteiros de obras, e também será útil para você.