1 abr. 2016

Cómo Realizar Mediciones de Sonido y Vibración

Cómo Realizar Mediciones de Sonido y Vibración

Fecha de Publicación: mar 30, 2016 | 8 Calificaciones | 4,25 fuera de 5 | 
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Este documento es parte de la Guía para Medidas Más Comunes centralizada en este portal de recursos.

Contenido

  1. Generalidades del Sensor Piezoeléctrico (IEPE) y de Sonido y Vibración
  2. Cómo Realizar una Medición de Sonido y Vibración
  3. Hardware y Software Recomendado
  4. Vea Seminarios Web, Tutoriales y Otros Recursos Relacionados con Mediciones de Sonido y Vibración.

1. Generalidades del Sensor Piezoeléctrico (IEPE) y de Sonido y Vibración

La vibración ocurre cuando una masa oscila mecánicamente cercana a su punto de equilibrio. Un ejemplo común de un sistema mecánico vibratorio es el de un sistema de resorte sujeto a una masa, ilustrado en la Figura 1. Las vibraciones también ocurren en superficies, como el ala de un avión, o un gong. En muchos casos, las vibraciones no son deseadas debido a que provocan la pérdida de energía y causan fatiga y estrés así como ruido, y los sistemas generalmente están diseñados para minimizar este tipo de vibraciones. Mientras tanto, las estructuras de vibración generan ondas de presión, o sonido, las cuales pueden ser deseables como es el caso de los instrumentos musicales.


Figura 1. Sistema de Un Resorte Sujeto a Una Masa
El sonido y la vibración son esencialmente oscilaciones en diferentes medios, y como sucede con las vibraciones, pueden crear sonido; ondas acústicas viajando a través del aire pueden generar oscilaciones en materiales sólidos también. Debido a que la teoría detrás de ambas se correlaciona, la medición del sonido y de la vibración también presenta una naturaleza similar.
Puede representar tanto el sonido como la vibración como una oscilación, y las oscilaciones más sencillas se presentan en forma de onda senoidal expresados en términos del tiempo como, con frecuencia angular ω y fase φ constantes. La frecuencia angular ω se presenta en radianes por segundo (rad/s) y se relaciona a la frecuencia ƒ (Hz o s-1) por medio de la siguiente fórmula: ω =2πƒ. La frecuencia angular siempre se habla en correlación a la fase φ, la cual describe el punto de inicio de la onda a partir de un punto de referencia en el tiempo inicial t0, y usualmente se da en grados o radianes.
Análisis de las Mediciones de Sonido y Vibración

En aplicaciones reales, las señales del voltaje medido son formas de onda complejas que contienen múltiples componentes de frecuencia. El análisis de sonido y vibración usualmente involucra la identificación y examen de estos componentes de frecuencia. Para hacerlo, debe convertir matemáticamente las señales del dominio de tiempo al dominio de frecuencia por medio de las transformadas de Laplace, Z-, o Fourier. El análisis de Fourier es el más común para esta aplicación ya que se obtiene la magnitud en decibeles (dB) y se puede asociar a la fase ω (grados o radianes) para cada componente de frecuencia en una señal.
Sensores IEPE

Los indicadores típicos para realizar mediciones de sonido y vibración son los niveles de aceleración y presión de sonido, respectivamente. Estos indicadores se miden comúnmente utilizando dispositivos como los acelerómetros (choque y vibración) y micrófonos (sonido).
Muchos de los sensores para medir la aceleración y la presión se basan en el principio de generación piezoeléctrica. El efecto piezoeléctrico denota la habilidad de los cristales cerámicos o de cuarzo para generar un potencial eléctrico ante experiencias de estrés por compresión. Este estrés mecánico se dispara por fuerzas como la aceleración, restricción o presión. En el caso de micrófonos, las ondas de presión acústica causan que el diafragma, o membrana delgada, vibre y transfiera estrés a los cristales piezoeléctricos que se encuentran alrededor. Los acelerómetros, por otro lado, contienen una masa sísmica que aplica fuerza directamente a los cristales circunvecinos en respuesta al choque y sus vibraciones. El voltaje generado es proporcional al estrés interno en los cristales.
Una clase particular de sensores piezoeléctricos, conocidos como piezoeléctrico electrónico integral (IEPE), incorpora un amplificador en su diseño junto a los cristales piezoeléctricos. Debido a que la carga producida por un transductor piezoeléctrico es muy pequeña, la señal eléctrica producida por el sensor es susceptible al ruido, y debe utilizar electrónicos sensitivos para amplificar y acondicionar la señal y así reducir la impedancia de salida. El IEPE por tanto, realiza el paso lógico de integrar los electrónicos sensitivos lo más cercano posible al transductor para asegurar una mejor inmunidad al ruido y un empacado mucho más conveniente. Un sensor típico IEPE es potenciado por una fuente externa de corriente constante con respecto a la carga variable en el cristal piezoeléctrico. El sensor IEPE utiliza solamente uno o dos cables tanto para la excitación del sensor (corriente) como para la salida de la señal (voltaje).

2. Cómo Realizar una Medición de Sonido y Vibración

El circuito del condicionamiento de señales para medir el sonido y la vibración es muy directo. Un sistema típico para medir los niveles de aceleración presión del sonido incluyen los siguientes componentes:

• Sensor
• Fuente corriente para excitar el sensor
• Hacer tierra apropiadamente para eliminar ruidos
• Conexiones de CA para remover disparos de CD en el sistema
• Un amplificador de instrumentación para mejorar los niveles de las señales del sensor
• Un filtro de bajo flujo para reducir ruido y prevenir distorsiones en el sistema de adquisición de datos
• Muestreo simultáneo y retención de circuitos para mantener cronometradas a las múltiples señales

Como se menciona en la sección superior, las mediciones de sonido y vibración son altamente susceptibles al ruido. Puede reducir este efecto, sin embargo, al hacer que el sistema haga tierra de forma apropiada. Puede evitar hacer tierra inapropiada gracias a las iteraciones a tierra o nodos flotantes asegurando ya sea que la entrada del condicionamiento de señales o que el sensor haga tierra, más no ambos. Si el sensor hizo tierra, debe hacer una conexión diferente. Si el sensor se encuentra flotando, debe conectar el sistema de condicionamiento de señales invirtiendo la entrada a tierra.
La señal adquirida a partir del sensor consiste tanto en componentes de CD y de CA, donde la porción de CD dispara la porción de CA a partir de cero. La conexión de CA remueve el disparo de CD en el sistema por medio de un capacitor en serie con la señal. Un sistema de sensor conectado en CA elimina el cambio de CD a largo plazo que tienen los sensores debido al efecto de la temperatura y del tiempo, incrementando dramáticamente la resolución y el uso del rango dinámico del sistema.
Para realizar mediciones con exactitud, la tasa de muestreo del sistema debe ser de al menos del doble de la frecuencia de las señales adquiridas. Para estar seguro que se está muestreando el rango correcto de frecuencias, agregue un filtro de bajo flujo antes del muestreo y del convertidor análogo a digital. Esto asegura la atenuación del ruido de alta frecuencia y que estos componentes de distorsión por arriba de la tasa de muestreo no distorsionen la medición.
Conectando su Sensor a un Instrumento
Como ejemplo, considere el módulo NI 9234 de la Serie C de NI diseñado para mediciones de acelerómetros y micrófonos (vea la Figura 2). El 9234 de NI puede muestrear simultáneamente cuatro entradas analógicas a 51.2 kS/s mientras permite la selección del software para el condicionamiento de señales IEPE, uniones de CA/CD y filtración de distorsiones. La tarjeta NI 9234 puede ser utilizada en el chasis NI cDAQ-9172.
 
Figura 2. Módulo 9234 de la Serie C de NI con un Chasis CompactDAQ de NI
El modulo tiene cuatro conectores BNC donde cada uno de ellos puede conectarse a un sensor IEPE (vea la Figura 3). El pin central del conector, AI+, proporciona la excitación de CD y una conexión de señal de CA. La coraza del conector, AI–, proporciona el patrón de excitación de retorno y la referencia a tierra de la señal de CA.

Figura 3. Tareas del Conector BNC 9234 de NI
Un sensor IEPE requiere de un cable y/o conector apropiado para engancharse a las entradas BNC del módulo de la Serie C. Los acelerómetros de tres ejes tienen tres salidas, un eje a un canal de adquisición, cada uno requiriendo su propio acondicionamiento de señales.
Puede conectar ambos sensores de referencia a tierra o IEPE flotante al 9234 de NI, más debe utilizar la conexión flotante para prevenir ruidos a partir de tierra. Los sensores IEPE típicos cuentan con una caja eléctricamente aislada de los electrónicos IEPE, por lo que conectar el sensor al 9234 de NI resulta en una conexión flotante aunque la caja del sensor se encuentre aislada.
Visualización de su Medición: LabVIEW de NI

Una vez que ha configurado apropiadamente su sistema, usted puede adquirir y visualizar datos utilizando el ambiente de programación gráfica LabVIEW (vea la Figura 4).
En software, usted puede convertir el voltaje adquirido en datos de frecuencia a través de funciones de análisis espectral (frecuencia-dominio). Un ejemplo simple es la transformada rápida de Fourier, o función FFT. Usted puede conducir con el software un procesamiento de datos más avanzado utilizando una de las muchas herramientas que National Instruments le ofrece, como el NI Sound and Vibration Measurement Suite.

Figura 4. Espectro de Potencia con la Herramienta de Sonido y Vibración de NI

3. Hardware y Software Recomendado

Ejemplo del Sistema Medición de Sonido y Vibración
CompactDAQ de NI: Vea video introductorio de 3 minutos.
Tome el Tour Virtual del CompactDAQ de NI 
Aprenda gratuitamente acerca del software de prueba LabVIEW

4. Vea Seminarios Web, Tutoriales y Otros Recursos Relacionados con Mediciones de Sonido y Vibración.

Aplicaciones Interactivas de Prácticas Guiadas, Muestras del Producto y Casos de Estudio del Sonido y Vibración

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