CALIBRAÇÃO DE PISTÃOFONES. ANALISE COMPARATIVA ENTRE O MÉTODO DE APLICAÇÃO DE TENSÃO E O MÉTODO DE COMPARAÇÃO

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1 CALIBRAÇÃO DE PISTÃOFONES. ANALISE COMPARATIVA ENTRE O MÉTODO DE APLICAÇÃO DE TENSÃO E O MÉTODO DE COMPARAÇÃO REFERÊNCIA PACK: VB Antunes, Sónia Laboratório Nacional de Engenharia Civil Av. Brasil, Lisboa Portugal Tel: (+351) Fax: (+351) santunes@lnec.t ABSTRAT A comarative analysis between the alication of an insert voltage method and comarison method in the determination of a istonhone sound ressure level is resented. On the first method a set of three LS1P microhones is used as reference standard and on the second a set of three reference istonhones was used.the results achieved on alying both methods and the uncertainty budgets for a B&K 4220 istonhone are here discuss. RESUMO Neste artigo efectua-se uma analise comarativa entre a utilização do método de alicação de tensão e do método de comaração, ara a determinação do nível de ressão sonora emitido or uma fonte sonora (istãofone). No método de alicação de tensão, a determinação do nível de ressão sonora emitido or um istãofone é realizada tomando como referência a sensibilidade em ressão de três microfones do tio LS1P. No método de comaração são utilizados como referência da medição, o valor do nível de ressão sonora emitido or três istãofones adrão de referência. São aresentados ara ambos os métodos os resultados e resectivas incertezas de medição, referentes à determinação do nível de ressão sonora emitido or um istãofone da marca B&K INTRODUÇÃO Um ensaio de verificação eriódica de um istãofone comreende a determinação do nível de ressão sonora, frequência e distorção harmónica do sinal emitido or esta fonte

2 sonora. Na norma CEI 60942:1997 são ublicados ara três classes de exactidão (resectivamente classes 0, 1 e 2), valores de tolerância relativos às características do sinal emitido ela fonte sonora e os corresondentes valores máximos ara a incerteza de medição exandida, os quais um laboratório metrológico não deve exceder. Desta forma, uma analise cuidada das várias fontes de incerteza que contribuem ara este tio de ensaio aresenta-se como um asecto de rimordial imortância. Durante o ano de 2000 o Laboratório de Metrologia Acústica do LNEC, conjuntamente com outros laboratórios euroeus, articiou no rojecto EUROMET 576 : Comarison of measurement uncertainty budgets for calibration of sound calibrators, elo que, as analises relativas à incerteza de medição aresentadas neste artigo reresentam os dados que resultam da articiação do laboratório ortuguês. Existem dois métodos que ermitem a determinação do nível de ressão sonora estabelecido or um istãofone, quando na sua cavidade lhe é inserido um microfone. No método designado, neste artigo, como método de alicação de tensão, o nível de ressão sonora emitido or um istãofone é determinado a artir da medição da tensão de saída em circuito aberto de um microfone de sensibilidade conhecida (usualmente ela técnica da recrirocidade). No método da comaração é efectuada uma comaração sequencial das tensões de saída de um microfone, quando este transdutor é inserido no istãofone do qual se retende conhecer o nível de ressão sonora e quando inserido num istãofone reviamente calibrado. O Laboratório de Metrologia Acústica do LNEC utiliza normalmente o método de comaração. Para tal, encontra-se equiado com o sistema de calibração de istãofones da marca Bruel & Kjaer, modelo Este sistema é constituído elo conjunto de filtros assabanda, modelo 1617; amlificador de medição, modelo 2610; multímetro diferencial de recisão, modelo 5908; atenuador de recisão modelo WB 0566 e transdutor de medição (constituído or microfone e ré-amlificador) modelo Como equiamento de referência, é utilizado um conjunto constituído or três istãofones, modelo O nível de ressão sonora do istãofone em ensaio, é determinado a artir do valor médio dos resultados obtidos na comaração do sinal emitido elo istãofone em ensaio com o sinal emitido or cada um de três istãofones de referência. Na figura 1 aresenta-se fotografia da instrumentação referenciada anteriormente. Figura 1 Método de calibração de istãofones or comaração No entanto, a utilização desta metodologia só ermite a determinação das características do sinal sonoro emitido or fontes sonoras (istãofones e calibradores sonoros), do mesmo fabricante que o do sistema. Devido a tal facto, e uma vez que actualmente o mercado ortuguês não se restringe a uma só marca comercial, tornou-se necessário uma adatação do sistema e dos rocedimentos de medição, de forma a tornar viável a calibração de outros modelos de fontes sonoras. Para tal, otou-se or utilizar a técnica de alicação de tensão ara a determinação do nível de ressão sonora, utilizando-se como equiamento de referência três microfones microfones do tio LS1P, calibrados ela técnica da recirocidade. Como equiamento de medição é utilizado o conjunto de filtros assa-banda, modelo 1617; o amlificador de medição, modelo 2610, o multímetro; o atenuador de recisão, modelo WB 0566, a unidade de junção modelo WB 0850; e ré-amlificador modelo A utilização do método de alicação de tensão, relativamente ao método de comaração, na determinação do nível de ressão sonora de um istãofone, ossui a vantagem adicional de não se restringir à

3 frequência de oeração do adrão de transferência utilizado (usualmente a frequência de 250 Hz), mas oder-se estender a gama de frequências comreendida entre 31,5 Hz e os Hz. Na figura 2 aresenta-se a instrumentação utilizada na determinação do nível de ressão sonora estabelecido or uma istãofone com recurso à técnica de alicação de tensão. Neste método, o rocedimento de medição utilizado está relacionado directamente com a exressão que traduz o nível de ressão sonora L (em db re. 20 µ Pa) gerado elo istãofone e corrigido ara as condições ambientais de referência e de volume de carga (exressão 1). L = 20 log 10 U abs 0 S ref γ ref γ s,ref s V V ist ist + V + V load nom M (1) em que 0 reresenta a ressão sonora de referência, Sref a sensibilidade de referência (igual a 1V/Pa), U a tensão de saída em circuito aberto do microfone, γ ref γ a razão entre calores abs esecíficos a temeratura e ressão constante, nas condições de medição e nas condições de referência, V ist é o volume interior da cavidade do istãofone (igual a mm3); V nom é o volume nominal de carga (igual a mm3) e V load é o volume de carga efectivo do microfone em mm3 e M reresenta o nível de sensibilidade do microfone nas condições de medição (em db re 1V/Pa). O nível de ressão sonora emitido or cada istãofone é igual ao valor médio dos resultados obtidos ara três microfones do tio LS1P. O valor do nível de ressão sonora emitido or um istãofone quando um microfone está inserido no interior da sua cavidade, é calculado a artir do nível de tensão de saída do microfone ao qual se subtrai o nível de sensibilidade do microfone determinado ara as condições de medição. Ao valor anterior é adicionado um termo relativo a ressão sonora de referência, e igual a 93,9794 db. O certificado de calibração de um microfone ela técnica da recirocidade aresenta os valores relativos ao nível de sensibilidade deste transdutor em função da frequência e ara as condições de referência (23ºC, 50% e 101,325 kpa). O mesmo certificado fornece igualmente informação sobre os volumes de carga relativos a cada microfone. Assim, torna-se em rimeiro lugar necessário calcular o nível de sensibilidade de cada microfone referido às condições de medição (que englobam as condições ambientais e as condições de medição relativas à frequência do sinal emitido elo istãofone e tensão de olarização do microfone). Para tal são utilizados os coeficientes de variação com a temeratura, humidade e ressão estática relativos aos microfones do tio LS1P e fornecidos elo fabricante do equiamento. Como muitas vezes a calibração do microfone é realizada a uma frequência ligeiramente diferente da frequência de funcionamento do istãofone, também se torna necessário efectuar uma correcção relativa a este termo. Figura 2 Método de alicação de tensão ara a calibração de istãofones

4 Usualmente, os certificados de calibração destas fontes sonoras devem aresentar os valores obtidos nas condições de medição, mas também os resultados referidos às condições de referência. INCERTEZAS DE MEDIÇÃO Para ambos os métodos, as fontes rinciais de incertezas odem distribuir-se entre três diferentes origens. Assim, existem contribuições ara a incerteza adrão originadas elo equiamento de referência, contribuições relacionadas com o equiamento em ensaio e contribuições ara a incerteza adrão directamente relacionadas com método de medição utilizado. No método de comaração, as contribuições ara a incerteza adrão relativas ao equiamento de referência estão relacionadas com a determinação do nível de ressão sonora estabelecido elos istãofones de referência. A contribuição ara a incerteza de medição adrão relativa a esta determinação tem um valor de 0,027dB. Uma vez que o nível de ressão sonora estabelecido elos istãfones de referência aresenta usualmente uma variação ligeira entre duas calibrações sucessivas, é considerada uma contribuição ara a incerteza de medição adrão relativa à deriva do nível de ressão sonora emitida elo equiamento de referência. Esta contribuição tem um valor da ordem de 0,0289 db e corresonde a um intervalo entre calibrações de 2 anos. Em medições efectuadas elo método de comaração, é imortante corrigir o nível de ressão sonora obtido ara o equiamento em ensaio, de diferenças entre o valor de distorção dos sinais de saída referentes a cada equiamento. O valor da contribuição em causa é de 0,0058 db. Directamente relacionadas com a forma de imlementação exerimental do método de comaração e com a instrumentação utilizada, estão as contribuições ara a incerteza de medição adrão relacionadas com o erro de leitura no multímetro diferencial de tensão (contribuição igual a 0,0058 db) e com a utilização do método de comaração (contribuição igual a 0,0116 db). Finalmente, há ainda que considerar a reetibilidade dos resultados relativos à determinação do nível de ressão sonora emitido elo equiamento a ensaiar, exresso em termos de um desvio adrão exerimental da média ara um conjunto de cinco medições. O valor desta contribuição ara a incerteza de medição adrão é de 0,001dB. No método de alicação de tensão, as contribuições ara a incerteza adrão referentes ao equiamento de referência, estão relacionadas com a determinação do nível de sensibilidade em circuito aberto do microfone tio LS1P utilizado. A contribuição ara a incerteza de medição adrão relativa a esta determinação tem um valor de 0,015 db. Ainda relativamente à mesma característica do microfone (nível de sensibilidade em circuito aberto), devem ser consideradas as incertezas de medição relacionadas com as correcções efectuadas, em virtude das condições de medição diferirem das condições de referência. Assim, há que ter em conta contribuições ara a incerteza de medição adrão associadas à influência das condições ambientais tais com a temeratura, a humidade relativa e ressão estática, no nível de sensibilidade em circuito aberto do equiamento de referência. As contribuições referidas tem um valor de resectivamente: 0,0009 db; 0,0014 db e 0,004 db. Relativamente ao nível de sensibilidade em circuito aberto do microfone tio LS1P, há ainda que ter em conta, a contribuição ara a incerteza de medição devido à correcção relativa à diferença entre a frequência de calibração do microfone e a frequência do sinal emitido elo istãofone. Neste caso a contribuição referida toma um valor de 0, db, elo que, oderá não ser considerada. Finalmente, há que considerar as contribuições ara a incerteza adrão devidas à deriva no nível de sensibilidade em circuito aberto do equiamento de referência (com um valor de 0,012 db ara um intervalo entre calibrações de 2 anos) e a contribuição relativa a determinação do volume de carga do microfone (com um valor de 0,0013 db). No que diz reseito ao equiamento de ensaio (istãfone) há que considerar as contribuições ara a incerteza de medição adrão associadas à influência das condições ambientais: temeratura; humidade relativa e ressão estática, no nível de ressão sonora emitido or este equiamento. As contribuições referidas tem um valor de resectivamente: 0,0001 db; 0,0001 db e 0,025 db. Relativamente ao método de medição é indicada uma única contribuição, designada or tensão de alicação e de valor igual a 0,0083 db. Esta contribuição integra a reetibilidade de medição (corresondente ao desvio adrão exerimental da média,

5 ara um conjunto de 6 medições) e a exactidão do multímetro ara a gama de medição utilizada (de valor igual a 1,3 mv), quando a calibração deste equiamento é realizada com uma eriodicidade anual. RESULTADOS OBTIDOS E CONCLUSÕES Na figura 3 aresentam-se os resultados obtidos ara o nível de ressão sonora emitido elos quatro istãofones de referência do Laboratório de Metrologia Acústica do LNEC (referenciados elos resectivos números de série), utilizando-se os dois métodos descritos anteriormente. As barras em torno de cada valor reresentam o valor relativo à incerteza de medição associada (a barra vermelha é corresondente ao método de comaração, enquanto que a azul é relativa ao método de alicação de tensão). Pela análise da figura 3 verifica-se uma grande roximidade entre os valores obtidos, verificando-se que a diferença entre resultados se encontra dentro dos limites de incerteza de cada um dos métodos. Este facto ermite validar a metodologia adotada no método de alicação de tensão, na determinação do nível de ressão sonora emitido or um istãofone. Verifica-se, igualmente, que os valores de incerteza associados ao método de alicação são menores (da ordem de 0,07 db, ara um factor de exansão k=2) que os corresondentes valores obtidos elo método da comaração (de ordem de 0,09 db ara um factor de exansão k=2). A artir da utilização do método de inserção, será ossível a calibração de vários modelos de fontes sonoras, directamente a artir dos microfones tio LS1P ou LS2P, ara numa gama de frequências comreendida entre o 250 Hz e os 4000 Hz, com um valor de incerteza de medição inferior ao método utilizado tradicionalmente. Calibração de istãofones Al. Tensão Nível de ressão sonora (db) Nº série Comaração Figura 3 Comaração de resultados obtidos elo método de alicação de tensão e método de comaração na determinação do nível de ressão sonora emitido or 4 istãofones (resultados relativos as condições ambientais de referência :23ºC, 50% e 101,3 kpa)

6 REFERÊNCIAS [1] Beranek,L. Acoustical Measurements - American Institute of Physics, New York,1988, ISBN [2] Instituto Português da Qualidade Vocabulário Internacional de Metrologia:termos fundamentais e gerais - Instituto Português da Qualidade, Segunda Edição, Monte da Caarica, 1996 [3] Bureau International des Poids et Measures et al Guide to the Exression of Uncertainty in Measurement - International Organization for Standardization, First Edition, Switzerland, 1995, ISBN [4] Hanes,P. Comarison of measurement uncertainty budgets for calibration of sound calibrators: Euromet Project 576-NPL Reort CMAM 73, National Physical Laboratory, Teddington, October 2001,ISSN [5] International Electrotechnical Commission,1997. Electroacoustics- Sound calibrators IEC 60942:1997 [6] Wong,G.K, Embleton,T. AIP Handbook of Condenser Microhones - American Institute of Physics, New York, 1995, ISBN [7] Bruel & Kjaer Microhone Handbook - Bruel & Kjaer, Naerun, 1996