Research Instruments

El desarrollo de este proyecto llevó más de un año y medio, durante el cual se llegaron a distintas conclusiones y formas de programación. Sin embargo, la mayoria de esas conclusiones no fueron adecuadas para presentarlas como un resultado final satisfactorio. Antes de presentar los resultados finales, resulta conveniente mostrar algunas mediciones previas que no alcanzaron el objetivo deseado, pero que muestran el mejoramiento gradual del trabajo.

Para todas las mediciones que se realizaron, se requirió de equipo que fue proporcionado en su mayoria por la Academia de Acústica de la ESIME Zacatenco. El material utilizado fue el siguiente:

- Computadora portátil con tarjeta de sonido - Micrófono

- Generador de señales - Altavoz

- Cables de conexión caimán banana - Sonómetro B & K

Todo el material se montó para su uso en una cámara anecóica, esto con el fin de obtener mediciones que no fueran perturbadas por el ruido externo.

Figura 5.1.- Representación de la disposición del equipo.

El micrófono que se utilizó para las mediciones, es el que viene integrado en la PC (MacBook), es del tipo unidireccional y las características que el fabricante proporciona son las siguientes:

Respuesta en frecuencia……… 100 – 10000 Hz Impedancia……….…….. Menos de 2200 ohms Sensitividad……….. -60 +/ 4 dB

La tarjeta de audio que está integrada en la PC (MacBook) que se utilizó para el desarrollo del proyecto y que se configura con el VISound Card Powerspestrum es del tipo full-duplex Realtek ALC885/889A/890 @ Intel 82801HBM ICH8M - High Definition Audio Controller PCI.

ακουστικηκοs 50 El sonómetro físico usado para realizar las mediciones fue un B & K 2230, pero para usarlo es necesario ajustar las funciones del sonómetro, la siguiente tabla muestra los campos ajustables en negritas.

Función Sonómetro B & K Type 2230

Opción elegida (en negritas)

Time Weighting Imp. Fast Slow

Ref. Test Operate

All Max/Min Pause

Frec. Weighting A C Lin.

Tabla 6.- Muestra los campos utilizados en el sonómetro con los cuales se realizaron las mediciones.

Figura 5.2.- Sonómetro B&K 2230 utilizado en las mediciones.Generador de frecuencias conectado al altavoz.

Figura 5.3.- MacBook Black.

Detector Peak RMS

Sound Incidence Frontal Random

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5.2.- Pruebas Preliminares

Cuando se realizaron las primeras mediciones, no se tenía clara una solución sobre cómo manipular el ajuste del sonómetro LabVIEW para que las mediciones fueran lo bastante cercanas al sonómetro B & K. Lo que se hacía era ejecutar el programa durante 10 segundos expuesto a una frecuencia específica, se observaba el sonómetro B & K y la lectura que mostraba era la referencia sobre el valor que se deseaba obtener, entonces el valor se ajustaba en el programa hasta que la lectura se aproximara a la del sonómetro fisico, una vez adquirido ese valor, el programa se volvía a ejecutar durante 10 segundos expuesto a la misma frecuencia, en los cuales se obtenía un valor cercano al deseado. Para lograrlo se hizo un arreglo dentro de la estructura While de la programación original, el cual consistió en utlilizar el subVI Elapsed Time que permite ejecutar un programa durante un tiempo determinado, y el arreglo que permitía controlar el ajuste es en realidad un divisor de la amplitud de entrada que se conecta en la salida del subVI Tone Measurements, y que se controla desde el Panel de control.

Figura 5.4.- SubVI Elapsed Time y el ajuste en Tone Measurements.

Figura 5.5.- Carátula del Sonómetro con el ajuste y el tiempo predeterminado de ejecución.

ακουστικηκοs 52 La siguiente tabla muestra valores obtenidos, resultado de las mediciones con el arreglo hecho sobre la programación.

Frecuencia (Hz) Sonómetro B & K Respuesta Lineal (dB) LabVIEW Sonómetro Lineal (dB) 100 67 53 125 63 50 160 63 50 200 63 50 250 67 58 315 71 61 400 76 56 500 74 62 630 77 66 800 78 68 1000 83 70 1250 84 66 1600 80 70 2000 84 58 2500 84 74 3150 83 73 4000 84 77 6200 76 66 8000 72 62 10000 63 49 Tabla 7.- Resultado de las mediciones realizadas. Estos valores se redondearon, esa es la razón por la que ningún

valor tiene decimales.

Comparando los valores de la columna 2 y 3 de la Tabla 7, se aprecia que la diferencia entre ellos llega a ser hasta de 20 dB, como es el caso de la frecuencia de 400 Hz. Por lo tanto, estos resultados no estaban dentro de los parámetros aceptables, por lo que se desecharon.

ακουστικηκοs 53 Después se pensó en otra solución, ya que la anterior no resolvió el problema del ajuste. Esta solución que parecía la más apropiada consistía en programar una sección de código que encontrara la frecuencia de la señal que entraba a la tarjeta, y de esa forma se pretendía eliminar el ajuste en cada medición. Aunque parecía que la solución podía funcionar, el código de comparación dentro de una estructura Formula Node resultaba demasiado amplio, sin embargo, se realizaron mediciones y se obtuvieron los valores mostrados en la Tabla 8.

Figura 5.6.- Arreglo de frecuencias hecho en la estructura Formula Node.

ακουστικηκοs 54 Frecuencia (Hz) Sonómetro B & K Respuesta Lineal (dB) LabVIEW Sonómetro Lineal (dB) +10 dB sobre el valor de la columna 2 (dB) 100 63.64 45.08 55.08 125 61.9 51.71 61.71 160 64.3 50.9 60.9 200 63.2 63.62 63.62 315 75.7 61.96 71.96 400 73.2 60.33 70.33 500 75.6 62.92 72.92 630 75.8 64.3 74.3 800 80.1 70.09 80.09 1000 83.9 70.02 80.02 1250 84.1 73.21 83.21 1600 79.9 70.7 80.7 2000 84.5 66.49 76.49 2500 83.5 71.14 81.14 3150 84.5 73.5 83.5 4000 84.4 73.76 83.76 6200 76.8 64.62 74.62 8000 71.3 64.05 72.05 10000 60.8 53.11 63.11

Tabla 8.- Resultados obtenidos de la programación que proponía encontrar la frecuencia de entrada de la señal de audio.

En este caso los resultados obtenidos se alejaban considerablemente de los valores del sonómetro B & K, entonces adicionalmente a la solución, se propuso que al resultado final se le sumaran 10 dB para compensar esa diferencia. Aunque con esta medida la diferencia disminuía, también se desechó esta solución, primero debido a que el código era muy amplio y poco eficiente a la hora de elegir la frecuencia de entrada, y después por la compensación de 10 dB que debía hacerce al resultado final.

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5.3.- Pruebas Finales

Después de probar con las dos soluciones anteriores para el ajuste de valores y no obtener resultados satisfactorios, se llegó a otra solución más conveniente a partir de lo siguiente: Como cada vez que se tomaba una medición se tenía que ajustar el valor hasta que la lectura fuera cercana a la del sonómtro B & K, entonces se decidió tomar el valor del ajuste en cada frecuencia del barrido, tanto para la curva de Ponderación A como de la curva C obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 9.

Frecuencia (Hz)

Ajuste curva de Ponderación A Ajuste curva de Ponderación C

100 3000 24000 125 130000 16000 160 84000 27000 200 75000 27000 250 59000 38000 315 55000 33000 400 55000 26000 500 79000 58000 630 79000 51000 800 110000 51000 1000 17000 19000 1250 15000 35000 1600 26000 2000 2000 37000 2000 2500 31000 29000 3150 31000 16000 4000 31000 19000 6200 43000 41000 8000 32000 41000 10000 51000 5000

Tabla 9.- Los valores de los ajustes en las diferentes frecuencias del barrido. Los ajustes no tienen unidades.

Una vez que se obtuvieron los ajustes de las diferentes frecuencias, se calculó un promedio de esos valores, respectivamente para cada ponderación, así para la curva A el promedio fue de 4855 y para la curva C de 3070. Esos valores se introdujeron en la programación del sonómetro ajustándose con ciertas condiciones para que hubiera una opción que permitiera el ajuste automático. Al parecer esta solución era más sencilla y la más adecuada. Para determinar si de verdad era el camino correcto, lo que restaba era hacer las mediciones y ver los resultados. En las siguientes páginas se muestran las tablas de los resultados obtenidos.

Las mediciones se hicieron con un barrido en octavas de frecuencia, de esta manera se toman valores no arbitrarios. Para la anotación de las mediciones se realizó una tabla de tres columnas para cada respuesta, o sea en total tres tablas, en la primera columna están las frecuencias en las que se llevaron a cabo las mediciones, la segunda columna va dedicada a las mediciones de presión sonora realizadas por el sonómetro B & K (en respuesta lineal, dBA y dBC) y adyacente a esta se encuentra la columna de referencia para el sonómetro realizado en LabVIEW (También en respuesta lineal, dBA y dBC).

ακουστικηκοs 56 RESPUESTA LINEAL

Frecuencia

(Hz) Sonómetro B & K Respuesta Lineal (dB) LabVIEW Sonómetro Lineal (dB A) Error 100 71.4 71 -0.4 125 67.6 67.8 0.2 160 63.4 63.05 -0.35 200 67.6 68.3 0.7 250 69.6 69.49 -0.11 315 76.9 77.02 0.12 400 76.2 76.14 -0.06 500 69.6 69.13 -0.47 630 81.1 80.40 -0.7 800 80.0 80.25 0.25 1000 82.9 83.06 0.16 1250 84.6 84.65 0.05 1600 83.8 83.63 -0.17 2000 84.6 84.25 -0.35 2500 83.9 83.76 -0.14 3150 84.7 84.59 -0.11 4000 84.3 84.45 0.15 6200 76.8 76.96 0.16 8000 73 73.11 0.11 10000 66.5 66.06 -0.44

Tabla 10.- Valores de la respuesta lineal del sonómetro B & K y LabVIEW

CURVA DE PONDERACION A Frecuencia Sonómetro B & K

CURVA A CURVA A LabVIEW Error

100 48.1 47.9 -0.2 125 48.2 47.85 -0.35 160 49.3 49.45 0.15 200 56.6 56.64 0.04 250 58.6 58.05 -0.55 315 67.9 67.68 -0.22 400 70.8 70.36 -0.44 500 65.6 65.53 -0.07 630 75.8 75.32 -0.48 800 74.7 74.33 -0.37 1000 77.7 77.6 -0.1 1250 84.9 84.70 -0.2 1600 83.6 83.08 -0.52 2000 84.8 84.64 -0.16 2500 84.3 84.07 -0.23 3150 84.2 84.33 0.13 4000 84.6 84.51 -0.09 6200 70.7 70.69 -0.01 8000 68.2 68.25 0.05 10000 50.3 50.21 -0.09

ακουστικηκοs 57 CURVA DE PONDERACION C

Frecuencia Sonómetro B & K CURVA C LabVIEW CURVA C Error 100 67.4 67.31 -0.09 125 66.8 66.70 -0.1 160 59.8 59.73 -0.07 200 62.2 62.05 -0.15 250 63.8 63.63 -0.17 315 73.8 73.66 -0.14 400 76.2 76.54 0.34 500 70.7 70.73 0.03 630 77.8 77.23 -0.57 800 79.3 79.13 -0.17 1000 73.3 73.12 -0.18 1250 85.7 85.54 -0.16 1600 85.1 85.26 0.16 2000 89.2 89.08 -0.12 2500 85.7 85.44 -0.26 3150 90.00 90.17 0.17 4000 88.2 88.17 -0.03 6200 71.4 71.26 -0.14 8000 67.2 67.47 0.27 10000 49.8 49.23 -0.57

Tabla 12.- Valores de la respuesta ponderados C del sonómetro B & K y LabVIEW

De acuerdo con las tablas, la solución propuesta era la adecuada, por eso se decidió presentarla hasta el final. Esta solución fue la que se programó en el sonómetro LabVIEW y es la que permite elegir entre la opción de ajuste desactivado ó ajuste activado al momento de ejecutar el programa. Ahora solo queda presentar conclusiones de acuerdo a las mediciones obtenidas y comparar lo desarrollado con las exigencias de la norma mexicana NMX-075.

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5.4.- Conclusiones de acuerdo a las mediciones obtenidas

De acuerdo con la norma mexicana NMX-075, se establece que un sonómetro debe de constar de los siguientes elementos:

1.- Micrófono 2.- Amplificador

3.- Redes de ponderación 4.- Atenuador

5.- Indicador

También señala que para que un sonómetro sea considerado de Tipo 1 (de precisión) debe abarcar un ámbito de frecuencias de 10 a 20000 Hz. Se debe incluir al menos una de las redes de ponderación A, B o C, y si posee más de una malla, debe ser posible hacer mediciones con cualquiera de las opciones. Las tolerancias se refieren al equipo en su totalidad, o sea que incluyen las tolerancias del micrófono, del amplificador, de las mallas de ponderación, de los atenuadores y del instrumento indicador, y se aplican al funcionamiento del aparato en un campo acústico libre.

La norma también indica que el tipo de micrófono debe ser omnidireccional y que la sensibilidad del micrófono no debe variar en más de ± 0.5 dB para una variación de ± 10% de la presión estática.

La escala del instrumento indicador debe graduarse en divisiones de 1 dB, sobre un intervalo de cuando menos 15 dB.

La mayoría de las características que especifica la norma, se cumplen en este proyecto. El sonómetro creado en LabVIEW dispone de dos redes de ponderación (A y C) así como también de una respuesta lineal. La escala en que se presentan las mediciones van de uno en uno dB desde 0 hasta 120 dB.

Sin embargo, aunque la mayoría de las características exigidas por la norma se cumplen, hay un factor que impide que el sonómetro que se ha desarrollado en LabVIEW adopte el Tipo 1: de precisión. El principal inconveniente es el tipo de micrófono y la frecuencia de respuesta. Mientras que la norma pide un micrófono omnidireccional con respuesta en frecuencia de 10 a 20000 Hz, el micrófono que se usó para la realización de las mediciones fue unidireccional con una respuesta en frecuencia de 100 a 10000 Hz, por lo tanto las mediciones se hicieron dentro de ese rango. Si se toman mediciones fuera de ese rango, los valores que se obtienen no son confiables debido a la saturación que sufre el micrófono.

Por razones económicas no se pudo disponer de un micrófono más cercano a las exigencias de la norma, sin embargo como lo muestran los valores de las tablas 8, 9 y 10, las mediciones se ajustaron para que los valores obtenidos del sonómetro correspondieran a la norma dentro de la respuesta del micrófono utilizado. Es cierto que no se puede hablar de un sonómetro de precisión si no se cumplen las exigencias de la norma, sin embargo, la asignación de la categoría del sonómetro puede quedar abierta hasta que se tenga el material adecuado para realizar las mediciones y cubrir las exigencias, por lo tanto, lo mas conveniente es asignar a este sonómetro creado a base de programación, la categoría Tipo 2: De precisión y uso general.

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5.5.- Estudio Económico

Un proyecto de esta naturaleza no se puede realizar y llevar a buen término sin el equipo necesario, en el caso de este proyecto todo el material a excepción de la PC (MacBook) fueron proporcionados por la Academia de Acústica de la ESIME Zacatenco.

Por otro lado, hacer una referencia económica del proyecto resulta necesario para conocer la inversión y viabilidad de lo que se ha desarrollado. Para este proyecto se utilizaron diferentes equipos y materiales contando incluso con una cámara anecoica, pero no resultaría práctico mencionar costos de cada uno de los equipos a disposición, debido a que ese equipo se ha obtenido a través de varias generaciones y forman parte del patrimonio de la Institución por lo que están a disposición de alumnos y profesores para su uso. Lo que sí resulta apropiado mencionar es el equipo clave que se utilizó. A continuación se proporcionan los precios originales del equipo y software implementado:

Y de acuerdo con la cotización del dólar a la venta en $15.15 pesos mexicanos el día 26 de Febrero de 2009 en la ciudad de México, el proyecto tiene un valoración de $109,049.70 pesos mexicanos.

Esta cantidad puede parecer excesiva, sin embargo no se trata de un gasto, sino de una inversión a mediano plazo, y las ventajas son evidentes, ya que una vez que se consiga una licencia de LabVIEW para una versión mas actual, se podrá crear un archivo ejecutable que podrá distrubuirse sin necesidad de que cada PC cuente con LabVIEW en su sistema, en cuanto al sonómetro, es parte del equipo que está a dispocisión para su uso en la Academia. Y para el caso de la PC portátil, hay diferentes opciones más económicas, y se toma como ventaja el hecho de que día con día ésta herramienta se vuelve más popular. Por lo tanto el proyecto resulta viable económicamente.

Sonómetro Brüel & Kjaer 2230 $3000.00 US

MacBook Black $1599.00 US

LabVIEW 7 express $2599.00 US

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CONCLUSIONES

Cuando se desarrolla una nueva aplicación en un software de programación, siempre se busca que la aplicación desarrollada sea en la medida de lo posible, sencilla de programar y que el programa desarrollado sea eficiente y eficaz. El desarrollo del sonómetro es prueba de ello. Por ejemplo, en el capítulo III se programaron las ecuaciones de las curvas de ponderación mediante subVIs, para después reprogramarlas con la estructura Formula Node, que permite que el programador pueda desarrollar sus propios subVIs, haciendo más rápido el cálculo de los valores requeridos. Queda comprobado que el tiempo de ejecución del programa se redujo significativamente disminuyendo el error de retardo. Las pruebas realizadas, demostraron que los valores de las curvas de ponderación programadas en LabVIEW están dentro de la tolerancia que la norma NMX-075 exige y que los resultados que arroja el Sonómetro realizado en LabVIEW concuerdan con los resultados del Sonómetro B & K.

En cuanto a la presentación final del sonómetro, se pretendía crear un archivo ejecutable que fuera posible distribuirse entre otras PCs. Sin embargo, hay una limitante, ya que el archivo de ejecución que se puede crear sólo se ejecuta en máquinas donde está instalada una versión igual o superior de LabVIEW, lo cual impide que el programa se ocupe corrientemente.

LabVIEW como entorno de programación ofrece ventajas considerables para el desarrollo de VIs, eso queda comprobado irrefutablemente en este trabajo. En algún momento dado se puede llegar a pensar que un trabajo de programación queda terminado, sin embargo LabVIEW no pone esos límites en sus programas, al contrario el límite de la programación en este ambiente es el límite de la creatividad del programador.

Finalmente sólo queda mencionar que hay muchas herramientas en LabVIEW que no han sido exploradas; por lo tanto no explotadas, y es ahí donde está la clave para el desarrollo más eficaz y eficiente de este proyecto, para que en un futuro pueda ser utilizado este sonómetro sin tener que hacer referencia a un sonómetro físico.

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Apéndices

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Apéndice A

Descripción de SubVIs y Estructuras

Descripción de los SubVIs que fueron implementados en el Capítulo III para la programación de las Ecuaciones de Ponderación A y C.

DESCRIPCIÓN SIMBOLO SubVI ADD hace la suma del valor de las entradas x & y, sin embargo, si se

suman dos formas de ondas o dos valores dinámicos, se generará un error que no permitirá la suma, por lo tanto uno de los valores debe ser estático.

SubVI Multiply lleva a cabo el producto de las entradas x & y, si se multiplican dos formas de onda o dos valores de datos dinámicos, aparecerá un error de entrada y salida en las terminales de la función. Tanto x y y pueden ser un número escalar, un arreglo o grupo de números o un arreglo de un grupo de números. Entonces x*y es el producto de x multiplicado por y.

SubVI Divide realiza el cociente de las entradas x & y, si se dividen dos formas de onda o dos valores de datos dinámicos, se generará un error de entrada y salida en las terminales de la función. Tanto x y y pueden ser un número escalar, un arreglo o grupo de números, o un arreglo de un grupo de números. Entonces x/y es el cociente de x dividido en y.

SubVI Square Root calcula la raíz cuadrada de un número cualquiera que entre en x. x puede ser un número escalar, un arreglo o grupo de números, y la raíz es de punto flotante de doble precisión.

SubVI Logarithm Base 10 realiza la operación logarítmica de base 10 de x. Si x es 0, log(x) es infinitamente negativo. x puede ser un número escalar, un arreglo o grupo de números.

Uso de la Estructura While

Una opción del menú contextual (menú que se despliega al hacer click derecho sobre la estructura) es Add Shift Register que permite añadir dos terminales a cada lado de la estructura While y su función es transferir un valor de una iteración del bucle a la siguiente. Los valores pasan a la iteración siguiente en la terminal derecha y los lee la terminal izquierda. La Figura A.1 muestra el uso de Shift Register. En la primera iteración si se asigna un valor de 10 a la terminal de la izquierda, se le sumará 1 y este valor se escribe en la terminal derecha que tomará el valor de 11. En la siguiente iteración el valor once será leído por la terminal izquierda y así sucesivamente hasta que se cumpla la condición de parada de bucle, que en este caso se dará cuando el valor sea igual o mayor de 15.

ακουστικηκοs 63 Otra utilidad es el Feedback Node que tiene una terminal inicializador que da un valor inicial al nodo. El inicializador siempre se coloca en el lado izquierdo de la estructura a la altura del Feedback Node. La otra terminal es el Feedback que tiene forma de flecha, en su extremo derecho se conecta la salida, cuyo valor es leído por el extremo izquierdo de la siguiente iteración. En la primera iteración el valor leído por el extremo izquierdo será conectado a la terminal inicializador y lógicamente primero se ejecuta la lectura y después la escritura.

Figura A.2.- Estructura While con la utilidad Feedback Node.

Uso de la Estructura Formula Node

Para ilustrar el uso de la estructura Formula Node se utiliza la fórmula de Herón, que es implementada para calcular la superficie de un triángulo a partir de sus lados, en ella hay tres entradas (designadas como a, b y c) que son las que corresponden a la longitud de los lados del triángulo, un resultado intermedio que se trata como una salida más (designada como p) y una salida que es la superficie (s).

Figura A.3.- En esta figura se puede observar con más detalle el uso de la estructura Formula Node para resolver la fórmula de Herón y como su sintaxis es parecida al lenguaje C.

Para programar la estructura Formula Node, primero se declaran las variables de entrada, presionando el botón secundario en los bordes de la estructura y de esa forma se crean las variables de entrada y salida. Después, dentro de la estructura (delimitada por el marco gris) se escribe la sintaxis de la fórmula y al