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Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Departamento de Eletrônica e Microeletrônica Medidor de Níveis Sonoros - Decibelímetro Relatório Final de Atividades Disciplina: Circuitos Eletrônicos e Instrumentação Aluno: Alex Dante Professor Dr. Oséas Valente de Avilez Filho Julho de 2010

Medidor de Níveis Sonoros - Decibelímetro - DEMICalexdant/projetos/Relat_Fin_Decib.pdf · um acelerômetro em um sinal elétrico. Por ser um sinal de baixa intensidade ... um circuito

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Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Departamento de Eletrônica e Microeletrônica

Medidor de Níveis Sonoros - Decibelímetro

Relatório Final de Atividades

Disciplina: Circuitos Eletrônicos e Instrumentação

Aluno: Alex Dante

Professor Dr. Oséas Valente de Avilez Filho

Julho de 2010

2 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Sumário

Introdução – pág. 3

Medidores de níveis sonoros e teoria relacionada – pág. 4

Efeitos dos ruídos sonoros no ser humano – pág. 6

O projeto original e as modificações introduzidas – pág. 7

Usinagem da placa de circuito impresso e soldagem dos componentes – pág. 11

Testes de funcionamento e resultados – pág. 12

Conclusões – pág. 14

Agradecimentos – pág. 15

Referências – pág. 15

ANEXO I – pág. 16

ANEXO II – pág. 25

ANEXO III – pág. 26

3 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Introdução

A disciplina “Circuitos Eletrônicos e Instrumentação”, ministrada pelo Professor

Oséas, e que é objeto deste Relatório Final de Atividades, é de grande valia para os

alunos de pós-graduação, não só da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

– FEEC, como de outras unidades da UNICAMP, como observamos neste semestre. Em

sua maioria, os alunos desenvolvem projetos ligados à sua dissertação de mestrado ou

tese de doutorado. No meu caso, porém, escolhi algo diferente, por dois motivos:

primeiro, porque minha tese de mestrado não envolve a construção de hardware ou a

implementação de circuitos eletrônicos; segundo porque, como me formei em Física, vi

nesta disciplina uma oportunidade para me familiarizar com a simulação de circuitos

em SPICE e com a fabricação de placas de circuito impresso, além de poder me

aprofundar em eletrônica, já que minha especialização é em Instrumentação. Meu

projeto nessa disciplina consistiu, então, na fabricação de um Medidor de Níveis

Sonoros, ou Decibelímetro, cujo esquema e plano de construção foram fornecidos pelo

Prof. Oséas, e se encontra no ANEXO I deste relatório.

Nas páginas seguintes o leitor encontrará um relatório descritivo das minhas

atividades de pesquisa, simulação de circuitos em PSPICE®, aquisição de componentes,

projeto, roteamento e fabricação da placa de circuito impresso, e montagem do

protótipo do Medidor de Níveis Sonoros, além das mudanças introduzidas no projeto

original e os resultados finais obtidos.

4 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Medidores de níveis sonoros e teoria relacionada

O medidor de níveis sonoros é um aparelho que se encontra disponível

comercialmente. Este instrumento é imprescindível para a avaliação técnica pelos

profissionais de segurança do trabalho na especificação e determinação dos níveis

aceitáveis de ruído do ambiente. A medição de níveis sonoros é um assunto bastante

complexo, que necessita de um curso exclusivo para seu completo entendimento [1]. É

normalmente efetuada com aparelhos profissionais para a verificação do nível sonoro

em diversos tipos de ambientes. Estes instrumentos são fabricados por empresas

reconhecidas pelos órgãos regulatórios de diversos países, por exemplo, B&K®, tendo

como seu maior cliente o setor de segurança industrial. Diversos projetos de

medidores de níveis sonoros estão disponíveis em vários web sites de amadores de

eletrônica, porém o desafio maior é obter uma resposta de frequência plana e fazer a

calibração que permita uma leitura confiável em decibéis.

O ouvido humano tem a capacidade de audição ampla na faixa audível

percebendo variação na intensidade do som de 10-12 W/m2 a 1 W/m2. Como a

diferença entre esses valores é muito grande, por questões práticas usa-se então uma

escala logarítmica. O decibel (dB) é definido como uma relação logarítmica entre

grandezas. Quando a grandeza estudada é a pressão, denominamos de nível de

pressão sonora (NPS) a relação:

NPS = 10 log (P/Pref)2 (1)

onde Pref é definido como a pressão sonora mínima percebida pelo ouvido humano a 1

kHz, e vale 2 10-5 Pa.

Sabe-se, porém, que o ouvido humano atenua os sons de baixa frequência e

amplifica os de alta frequência. No sentido de tornar as medidas de NPS próximas das

sensações do ouvido humano foram criadas curvas de correção (conhecidas como

curvas de ponderação), ilustradas na Figura 1.

5 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Figura 1. Curvas de compensação para medidas do nível de pressão sonora (NPS)

Quando os valores são ponderados segundo a curva A, os resultados das

medidas de níveis de pressão sonora serão medidos em dB (A), e assim por diante.

Para efetuar medidas de ruído utiliza-se em geral o medidor de nível de pressão

sonora. Todos os aparelhos de medição de níveis sonoros, independente de suas

marcas, possuem o mesmo sistema básico. O ruído emitido é captado e convertido por

um acelerômetro em um sinal elétrico. Por ser um sinal de baixa intensidade (da ordem

de milivolts), esse passa por um circuito amplificador e se necessário pode passar por

um circuito de compensação A, B, C ou D, conforme a curva de compensação

selecionada para medir. Após a amplificação, o sinal terá um nível suficientemente alto

para ser exibido por um medidor, que pode ser um voltímetro comum.

Existem vários modelos de medidores. Os de melhor tecnologia podem oferecer

valores das medidas em dB (A, B, C ou D), dB pico, impulso, espectro, etc. Já os mais

simples oferecem apenas as medidas em dB (A).

O acelerômetro é o sensor padrão destes instrumentos, mas considerando o

custo e considerando uma finalidade didática, pode-se substituí-lo por um microfone

com as devidas adaptações de projeto e alguma limitação dinâmica. A escolha depende

do campo sonoro que será medido, da curva de resposta dinâmica em função da

6 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

frequência e da diretividade. É importante salientar que quanto menor o diâmetro do

microfone, maior a sua sensibilidade aos sons agudos.

Existem diversos tipos de microfones. O microfone escolhido para uso neste

projeto foi um microfone de eletreto comum usado em computadores pessoais, por ter

uma boa qualidade, baixo ruído, e principalmente pelo seu baixo custo.

Efeitos dos ruídos sonoros no ser humano [2]

Como o ouvido amplifica os sons de altas frequências, e atenua os de baixas

frequências, com o passar dos anos, pessoas que ficam expostas a ruídos intensos,

como fábricas e trânsito, sofrem a gradativa perda de audição começando pelas altas

frequências. Assim, uma pessoa idosa tende a ouvir mais sons graves do que os

agudos. Estudos realizados recentemente sobre os efeitos do ruído no sono e na saúde

em geral determinaram que as pessoas expostas a níveis superiores a 65 dB (A) iniciam

um processo de stresse degradativo no organismo desencadeando um desequilíbrio

bioquímico, onde aumenta a possibilidade de infarto, derrame cerebral, ocorrência de

osteoporose e infecções. É possível que a um nível de 80 dB (A), seja liberada pelo

organismo morfina biológica no corpo, dando certa sensação de prazer e gerando

efeitos de dependência. Ao chegar a 100 dB (A), pode ocorrer a perda imediata da

audição. Além das perdas auditivas, o ruído excessivo pode causar outros efeitos no

homem, como aumento da pulsação, estreitamento dos vasos sanguíneos devido à

liberação de adrenalina pelas supra-renais. Com o decorrer do tempo de exposição ao

ruído elevado, podem acontecer tensões musculares e alterações nas secreções

hormonais, e como conseqüência uma sobrecarga no coração, mudanças no

comportamento, nervosismo, fadiga mental e prejuízo no desempenho no trabalho,

entre outros.

Existem normas que regulamentam os níveis de exposição permitidos em

função do tempo de exposição, como a NBR 10151 e NBR 10152, da ABNT, que tratam

da questão do ruído nas regiões habitadas e análise dos níveis de ruído visando o

conforto acústico, respectivamente. Segundo as normas brasileiras, os níveis de ruído

devem ser medidos em dB (A), esta audiometria deve ser feita próxima ao ouvido da

7 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

pessoa exposta ao alto nível de ruído. Os níveis de exposição não devem ultrapassar os

limites de tolerância fixados na Tabela 1.

Tabela 1. Limites de exposição permitidos em função do

nível de ruído em dB (A) para o ser humano.

No presente projeto construí um protótipo de medidor de níveis sonoros que

pode ser utilizado para identificação, com relativa precisão, do nível de ruído em

decibéis dB (A) de um ambiente.

O projeto original e as modificações introduzidas

Inicialmente, a proposta original era construir um medidor de níveis sonoros

idêntico ao do artigo Sound Level Meter, originalmente publicado na revista Poptronix

– Electronix Handbook em sua edição de outubro de 1997 (ver ANEXO I). A Figura 2

mostra o esquemático do circuito proposto.

8 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Figura 2. Circuito original do Medidor de Níveis Sonoros construído.

Porém, tive problemas em encontrar o componente NE614, que é um circuito

integrado amplificador de frequência intermediária, utilizado no circuito original

acima, e que se encontra obsoleto. Com isso, tive que substituí-lo de forma a que o

resultado final ainda fosse satisfatório. Assim, contei com a ajuda dos professores Dr.

Elnatan C. Ferreira, e Dr. José A. Siqueira Dias, já que minha experiência em eletrônica

ainda era tímida para a tarefa. Analisando o datasheet do NE614, vimos que este é um

detector e amplificador de frequências intermediárias, além de retificar o sinal de

entrada. Para substituí-lo, o professor Siqueira sugeriu a inclusão de um circuito

retificador de precisão de alta velocidade de onda completa[3], cujo esquemático pode

ser visto na Figura 3, e cujo Application Brief da Analog Devices®, de onde tal circuito

foi inspirado, se encontra no ANEXO II deste relatório.

9 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Figura 3. Circuito retificador de onda completa de precisão proposto pelo Prof. Siqueira para retificação

do sinal amplificado do microfone.

A Figura 4 mostra a imagem obtida da simulação em análise transiente desse

circuito no PSPICE® versão estudante 8.0, com uma fonte de sinal senoidal a 1 kHz e

Vpp = 100 mV, e mostra que esse retificador é adequado ao circuito.

Figura 4. Análise transiente do circuito retificador de onda completa de precisão. A senóide verde

representa o sinal de entrada do circuito, e a vermelha, o sinal retificado na saída.

Em relação à amplificação do sinal, que também era tarefa do componente

NE614 do circuito original, o professor Elnatan sugeriu o uso de um circuito

amplificador de ganho 10, que usa um amplificador operacional TL081, ligado

10 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

imediatamente antes da fase de retificação do sinal, e cujo esquemático pode ser visto

na Figura 5.

Figura 5. Circuito amplificador de ganho 10 implementado imediatamente antes do circuito retificador

do sinal do microfone.

A Figura 6 mostra a análise transiente feita em PSPICE® desse circuito

amplificador.

Figura 6. Análise transiente do circuito amplificador implementado. A senóide vermelha representa o

sinal de entrada do circuito, e a verde, o sinal de saída amplificado dez vezes.

11 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Com essas duas modificações principais, comecei a rotear o circuito para

fabricação da placa de circuito impresso. Para isso utilizei o software Altium® Designer

Winter 08 (versão de avaliação, disponível em www.altium.com), que possibilita

projeto do circuito, o roteamento dos componentes e trilhas da placa e gera os

arquivos necessários à confecção da mesma em prototipagem rápida utilizando

fresadoras CNC. Neste caso, utilizei uma máquina fresadora modelo S42 da LPKF® do

Departamento de Eletrônica e Microeletrônica – DEMIC, onde sou atualmente aluno

de mestrado.

O esquemático do circuito final do decibelímetro desenhado no Altium®

Designer, bem como os footprints para confecção da placa, estão no ANEXO III deste

relatório.

Usinagem da placa de circuito impresso e soldagem dos componentes

Após desenhar o circuito do decibelímetro já com as modificações supracitadas,

e fazer o roteamento das trilhas e componentes eletrônicos, o Altium® gera

automaticamente os arquivos de layout elétrico utilizados pelo software CircuitCAM da

LPKF®. A Figura 7 mostra a fresadora LPKF usinando uma placa de circuito impresso.

Figura 7. Fresadora LPKF utilizada na manufatura da placa de circuito impresso do Medidor de Níveis

Sonoros. No detalhe, cabeçote da máquina usinando furos e trilhas.

12 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Seguindo os procedimentos do tutorial de utilização da fresadora LPKF[4],

confeccionei a placa de circuito impresso de dupla face e soldei os componentes nas

suas devidas posições, usando como orientação os arquivos de layout do Altium®. É

importante salientar que, como esta placa possui dupla face, ela contém também vias,

que são furos metalizados exclusivamente para ligar uma trilha da face superior (top

layer) à outra da face inferior (bottom layer), estes devem ser metalizados. Além disso,

furos metalizados garantem melhor soldagem dos componentes discretos, que foi o

caso desta placa. A Figura 8 mostra a placa usinada antes e depois de receber os

componentes eletrônicos, pronta para os testes.

Figura 8. Placa de circuito impresso do Medidor de Níveis Sonoros usinada na LPKF, antes e depois da

soldagem dos componentes eletrônicos.

Testes de funcionamento e resultados

Depois de soldar todos os componentes na placa, fiz alguns testes preliminares

de funcionamento do Medidor de Níveis Sonoros, primeiramente com uma fonte

regulável de tensão, em seguida com duas baterias de 9 V cada. Inicialmente, há um

trimpot de 100 k que deve ser ajustado para que o primeiro LED verde (que

corresponde a aproximadamente 30 dB) fique apagado quando não há ruído nenhum

no ambiente, e acenda com o ruído de uma conversa entre duas pessoas próxima ao

microfone. Há também um jumper que permite selecionar o modo de operação dos

LED’s: quando ligado, os LED’s são ligados em forma de barra; quando desligado,

acendem em forma de ponto (somente o LED correspondente àquela intensidade

13 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

sonora é ligado). A Figura 9 mostra os dois modos de operação dos LED’s do

decibelímetro, bem como o seu aspecto final montado com o microfone e baterias de

alimentação.

Figura 9. Placa do decibelímetro montada e conectada ao microfone e às baterias de alimentação. Nos

detalhes à direita: operação dos LED’s em modo ponto (foto superior); em modo barra (foto do meio);

detalhe mostrando o jumper seletor dos modos de operação (foto inferior).

Feito isso, fiz um teste de resposta em frequência do meu decibelímetro,

utilizando para isso o software Audio Sweepgen (versão 3.5.2.24), que gera uma onda

sonora de frequência bem definida entre 20 Hz e 20 kHz, que é justamente a faixa

audível do ouvido humano, e na qual eu queria testar o meu protótipo. Utilizando este

software ligado às caixas de som do computador sempre no mesmo volume

(amplitude) e com o microfone posicionado a 1 cm de distância do alto-falante, fiz uma

varredura de frequências desde 100 Hz até 7 kHz, quando o decibelímetro parou de

responder. O resultado pode ser verificado no gráfico da Figura 10.

14 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Figura 10. Gráfico de resposta em frequência do decibelímetro.

Porém, sabemos que este experimento é falho porque há três variáveis

desconhecidas nele: a curva de resposta em frequência das caixas de som não é

conhecida, a curva de resposta do microfone também não é conhecida, e finalmente, a

do próprio circuito, que é a curva de interesse aqui, também não é conhecida. Sendo

assim, estes dados ficam somente no domínio qualitativo.

Por fim, como não houve tempo hábil para a calibração desse decibelímetro

com um medidor de níveis sonoros profissional, esta será a próxima etapa, quando

será possível o ajuste correto do circuito em função da intensidade sonora de diversas

fontes e com espectros de frequência variados.

Conclusões

O funcionamento do decibelímetro se mostrou satisfatório em relação à

sensibilidade aos ruídos do ambiente e pode, portanto, ser usado como indicador de

um dado ambiente com intensidade sonora prejudicial à saúde do ouvido humano,

desde que devidamente calibrado.

Durante o desenvolvimento deste projeto, e principalmente devido às

adversidades encontradas, pude aprender mais sobre projeto de circuitos eletrônicos,

projeto, roteamento e confecção de placas de circuito impresso, soldagem de

15 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

componentes eletrônicos discretos, amplificadores logarítmicos, amplificadores

operacionais[5] e circuitos retificadores de precisão. Por esse motivo posso concluir que

os meus principais objetivos foram atingidos nessa disciplina.

Agradecimentos

Na realização deste projeto contei com a inestimável ajuda de algumas

pessoas, dentre elas: o Professor Oséas, que forneceu o circuito original base para o

meu projeto; professores Elnatan e Siqueira, pelas dicas e auxílio nas modificações no

projeto original; e ao Anderson, companheiro de laboratório, pela ajuda no

roteamento e fabricação da placa de circuito impresso na LPKF®.

Referências

[1] Fahy, F. J. Sound Intensity. 2 ed. London: Spon, 1995.

[2] Bertucci, W. Níveis Sonoros e exposição ao ruído em malharias, estudo de caso:

Jacutinga, MG. 1999. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade

Estadual de Campinas - UNICAMP, Campinas, 1999.

[3] Wong, J. High speed precision rectifier. Application Brief 13 (AB-109). Analog

Devices.

[4] Prototipagem rápida de placas de circuito impresso - Tutorial LPKF. Versão 0.1.

Departamento de Eletrônica e Microeletrônica – DEMIC, UNICAMP. Campinas, 2009.

[5] Boylestad, R.; Nashelsky, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 6 ed. Rio de

Janeiro: LTC. 1998.

16 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

ANEXO I

Segue abaixo o projeto original deste Medidor de Níveis Sonoros.

17 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

18 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

19 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

20 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

21 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

22 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

23 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

24 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

ANEXO II

Segue abaixo o artigo do qual extraí o circuito retificador de precisão utilizado no meu

decibelímetro.

25 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

ANEXO III

Seguem abaixo o circuito completo do decibelímetro fabricado e os footprints

para sua confecção.

26 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Abaixo o layout dos componentes na placa de circuito impresso.

27 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Abaixo o footprint da face superior (top layer) da placa. Parâmetro para

adequação de escala: distância entre centro dos furos mais externos da placa,

localizados nos quatro cantos: horizontal: 88,0 mm (comprimento) e 64,5 mm

(largura).

28 Circuitos Eletrônicos e Instrumentação 1º semestre de 2010

Abaixo o footprint da face inferior (bottom layer) da placa. Parâmetro para

adequação de escala: distância entre centro dos furos mais externos da placa,

localizados nos quatro cantos: horizontal: 88,0 mm (comprimento) e 64,5 mm

(largura).