Sistema de Monitorización de Ruido de Aviones basado en PC
Producto(s) de NI utilizados: LabVIEW 2013 (32 bits) y Toolkits "Sound and Vibration 2013" y "Database Connectivity 2013"
Industria: Ingeniería civil y acústica
Area de aplicación: Control de ruido
Industria: Ingeniería civil y acústica
Area de aplicación: Control de ruido
El Reto
Evaluar el impacto sonoro del tránsito aéreo tanto en interiores de viviendas como en los exteriores con un sistema adaptable a su uso tanto fijo como portátil. |
La Solución
Utilizando las funciones del sound and vibration toolkit y una tarjeta de sonido externa conectada a dos micrófonos AKG de condensador, se diseñó un sistema bicanal, que detecta eventos a partir de la evolución temporal de la medida. Dichos eventos se evalúan mediante un descriptor de ruido Nivel de Exposición Sonora y un valor de correlación en una tabla de resultados. |
El Equipo
Denis Esteban Pérez, alumno de la Universidad Politécnica de Madrid (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación), con amplios conocimientos en el campo de la microfonía e instrumentación acústica.
Murmann LabVIEW Consultants son Arquitectos Certificados (CLA), Desarrolladores Certificados (CLD) e Instructores Certificados (CPI) y Alliance Partners de National Instruments, con amplia experiencia en el campo de la automatización de procesos y ensayos.
Denis Esteban Pérez, alumno de la Universidad Politécnica de Madrid (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación), con amplios conocimientos en el campo de la microfonía e instrumentación acústica.
Murmann LabVIEW Consultants son Arquitectos Certificados (CLA), Desarrolladores Certificados (CLD) e Instructores Certificados (CPI) y Alliance Partners de National Instruments, con amplia experiencia en el campo de la automatización de procesos y ensayos.
Descripción del Reto
En la actualidad el transporte aéreo constituye una modalidad de transporte ampliamente expandida y explotada en el mundo. Las infraestructuras aeroportuarias se han convertido en un centro económico, social y cultural importante para el desarrollo y crecimiento de la región donde se asientan. El constante flujo de pasajeros, aeronaves, vehículos autorizados...etc., interactúan con el medio ambiente donde se levantan, por lo tanto, el equilibrio entre ambas partes es fundamental para su correcto funcionamiento.
Un punto clave para ese nexo de unión entre medio ambiente, aeropuertos, y sociedad es el ruido en dichas infraestructuras. Dentro del ruido ocasionado por los medios de transporte, los aviones son los que generan una mayor potencia acústica y eso desde hace décadas, constituye un serio problema ambiental en el mundo entero. Esta situación provoca múltiples problemas cuando los aeródromos están construidos cerca de zonas pobladas o donde el uso del terreno exige un ambiente acústico apacible o moderado.
Este proyecto surgió motivado por la problemática ocasionada por elevadas cantidades de ruido ambiental producido por aviones en sus operaciones cotidianas como despegue, aterrizaje o estacionamiento, que afecta a zonas pobladas cercanas a recintos aeroportuarios.
En la actualidad el transporte aéreo constituye una modalidad de transporte ampliamente expandida y explotada en el mundo. Las infraestructuras aeroportuarias se han convertido en un centro económico, social y cultural importante para el desarrollo y crecimiento de la región donde se asientan. El constante flujo de pasajeros, aeronaves, vehículos autorizados...etc., interactúan con el medio ambiente donde se levantan, por lo tanto, el equilibrio entre ambas partes es fundamental para su correcto funcionamiento.
Un punto clave para ese nexo de unión entre medio ambiente, aeropuertos, y sociedad es el ruido en dichas infraestructuras. Dentro del ruido ocasionado por los medios de transporte, los aviones son los que generan una mayor potencia acústica y eso desde hace décadas, constituye un serio problema ambiental en el mundo entero. Esta situación provoca múltiples problemas cuando los aeródromos están construidos cerca de zonas pobladas o donde el uso del terreno exige un ambiente acústico apacible o moderado.
Este proyecto surgió motivado por la problemática ocasionada por elevadas cantidades de ruido ambiental producido por aviones en sus operaciones cotidianas como despegue, aterrizaje o estacionamiento, que afecta a zonas pobladas cercanas a recintos aeroportuarios.
El reto para la realización del proyecto consistió en implementar un prototipo de sistema de monitorización de ruido de aeropuerto en tiempo real, que efectuase mediciones de ruido y fuese capaz de detectar los eventos sonoros provocados por las aeronaves. El sistema de monitorización estaría compuesto de un ordenador portátil, una tarjeta de sonido externa de dos canales, dos micrófonos y un software donde se recogen las medidas y realizan las operaciones pertinentes: detectar, clasificar y evaluar eventos. Se trata de un sistema bicanal, porque se desea obtener datos en el exterior y en el interior de una vivienda. El sistema diseñado debía ser de uso tanto fijo como portátil argumentando los usos y características de uno y otro tipo.
Descripción de la solución
Utilizando las funciones del sound and vibración toolkit y una tarjeta de sonido externa conectada a dos micrófonos AKG de condensador, se diseñó un sistema bicanal, que detecta eventos a partir de la evolución temporal de la medida. Dichos eventos se numeran, se remarca su intervalo temporal, su duración y se evalúan mediante el descriptor de ruido Nivel de Exposición Sonora y un valor de correlación en una tabla de resultados. Paralelamente el sistema devuelve varias gráficas de todo el tiempo de medida consultado con los eventos marcados.
Utilizando las funciones del sound and vibración toolkit y una tarjeta de sonido externa conectada a dos micrófonos AKG de condensador, se diseñó un sistema bicanal, que detecta eventos a partir de la evolución temporal de la medida. Dichos eventos se numeran, se remarca su intervalo temporal, su duración y se evalúan mediante el descriptor de ruido Nivel de Exposición Sonora y un valor de correlación en una tabla de resultados. Paralelamente el sistema devuelve varias gráficas de todo el tiempo de medida consultado con los eventos marcados.
Arquitectura del Hardware
El equipo de medida está formado por: portátil más software de medida, tarjeta de sonido externa y dos micrófonos de condensador.
La configuración general es la siguiente: dos micrófonos conectados a dos canales de la tarjeta de sonido externa por sus dos entradas de línea (AKG PERCEPTION 150 al canal 1 y AKG C1000S al canal 2). La tarjeta de sonido externa conectada al PC mediante el bus estándar de conexión USB. En el ordenador se dispone del programa creado en entorno LabVIEW.
El equipo de medida está formado por: portátil más software de medida, tarjeta de sonido externa y dos micrófonos de condensador.
La configuración general es la siguiente: dos micrófonos conectados a dos canales de la tarjeta de sonido externa por sus dos entradas de línea (AKG PERCEPTION 150 al canal 1 y AKG C1000S al canal 2). La tarjeta de sonido externa conectada al PC mediante el bus estándar de conexión USB. En el ordenador se dispone del programa creado en entorno LabVIEW.
Módulo de Adquisición de Datos
El objetivo de este módulo consite leer los datos adquiridos por los micrófonos conectados a la tarjeta de sonido y posteriormente almacenarlos en una base de datos tras realizar una serie de operaciones sobre ellos. La medición del sonido se realiza mediante un registro continuo de mediciones cortas (habitualmente 1 segundo) y consecutivas, que permiten evaluar la evolución del nivel sonoro en decibelios.
El micrófono, al ser un transductor acústico-eléctrico, permite convertir la energía acústica en señal eléctrica (variaciones de voltaje) que será la reconocida por el programa. Una vez adquiridos los datos se almacenan (o encolan) en una estructura de datos llamada cola, para poder almacenar un número ilimitado de estos. Posteriormente estos datos salen de la cola (se desencolan) y se obtiene de forma independiente y paralela dos variables: valor Leq (dB) de cada medida tomada por segundo para cada canal y coeficiente de correlación entre ambos canales tomados segundo a segundo. Por último se almacenan estos datos junto a una fecha/hora en tiempo real para cada dato por segundo adquirido y una posición a definir por el usuario en una base de datos.
El objetivo de este módulo consite leer los datos adquiridos por los micrófonos conectados a la tarjeta de sonido y posteriormente almacenarlos en una base de datos tras realizar una serie de operaciones sobre ellos. La medición del sonido se realiza mediante un registro continuo de mediciones cortas (habitualmente 1 segundo) y consecutivas, que permiten evaluar la evolución del nivel sonoro en decibelios.
El micrófono, al ser un transductor acústico-eléctrico, permite convertir la energía acústica en señal eléctrica (variaciones de voltaje) que será la reconocida por el programa. Una vez adquiridos los datos se almacenan (o encolan) en una estructura de datos llamada cola, para poder almacenar un número ilimitado de estos. Posteriormente estos datos salen de la cola (se desencolan) y se obtiene de forma independiente y paralela dos variables: valor Leq (dB) de cada medida tomada por segundo para cada canal y coeficiente de correlación entre ambos canales tomados segundo a segundo. Por último se almacenan estos datos junto a una fecha/hora en tiempo real para cada dato por segundo adquirido y una posición a definir por el usuario en una base de datos.
Modulo de Capturas
Muestra en tiempo real durante la adquisición de datos las gráficas de: señal eléctrica de entrada de los canales 1 y 2 ,el valor Leq de los canales 1 y 2 adquiridos segundo a segundo y el coeficiente de correlación de los canales 1 y 2 también adquiridos segundo a segundo.
La señal eléctrica de entrada muestra como es la señal directa que entra por los micrófonos de ambos canales al sistema, sirve para ver cómo es la forma de onda y visualizar posibles problemas con la señal de entrada como saturación. Se refresca segundo a segundo. El eje de las Y mide los valores de tensión de entrada (se puede ajustar escribiendo en la escala el valor necesario según se quiera visualizar) y el eje X mide el tiempo en segundos, su escala va de 0 a 1 al adquirir segundo a segundo. El canal uno (Left) se representa con color azul y el canal 2 (Right) en rojo. El usuario puede elegir si quiere ver: canal 1, canal 2 o ambos dando un click al controlador Left o Right.
La gráfica central representa la evolución temporal del nivel sonoro Leq adquirido segundo a segundo. Esta gráfica si es acumulativa. Presenta un scroll para mostrar datos pasados. Los controladores Left/ Right al igual que los controles de zoom y movimiento funcionan igual que la gráfica anterior. Se muestra un display a la derecha del controlador Left/Right que indicara el valor numérico exacto del Leq adquirido en ese segundo tanto de un canal como del otro. El eje Y representa el valor Leq en dB y el eje de las X el tiempo medido en segundos.
La última gráfica representa la evolución temporal de los coeficientes de correlación entre los dos canales adquiridos segundo a segundo. El eje de las Y mide la escala de la correlación medida entre -1 y 1 y el eje de las X el tiempo medido en segundos. Esta gráfica también es acumulativa presentado el mismo scroll que la anterior. Esta al presentar solo un dato de correlación proveniente de los dos canales no tiene el indicador Left/Right pero si el display numérico que reflejará el valor numérico exacto del coeficiente en el punto exacto de lectura. También presenta el control de zoom y movimiento.
Muestra en tiempo real durante la adquisición de datos las gráficas de: señal eléctrica de entrada de los canales 1 y 2 ,el valor Leq de los canales 1 y 2 adquiridos segundo a segundo y el coeficiente de correlación de los canales 1 y 2 también adquiridos segundo a segundo.
La señal eléctrica de entrada muestra como es la señal directa que entra por los micrófonos de ambos canales al sistema, sirve para ver cómo es la forma de onda y visualizar posibles problemas con la señal de entrada como saturación. Se refresca segundo a segundo. El eje de las Y mide los valores de tensión de entrada (se puede ajustar escribiendo en la escala el valor necesario según se quiera visualizar) y el eje X mide el tiempo en segundos, su escala va de 0 a 1 al adquirir segundo a segundo. El canal uno (Left) se representa con color azul y el canal 2 (Right) en rojo. El usuario puede elegir si quiere ver: canal 1, canal 2 o ambos dando un click al controlador Left o Right.
La gráfica central representa la evolución temporal del nivel sonoro Leq adquirido segundo a segundo. Esta gráfica si es acumulativa. Presenta un scroll para mostrar datos pasados. Los controladores Left/ Right al igual que los controles de zoom y movimiento funcionan igual que la gráfica anterior. Se muestra un display a la derecha del controlador Left/Right que indicara el valor numérico exacto del Leq adquirido en ese segundo tanto de un canal como del otro. El eje Y representa el valor Leq en dB y el eje de las X el tiempo medido en segundos.
La última gráfica representa la evolución temporal de los coeficientes de correlación entre los dos canales adquiridos segundo a segundo. El eje de las Y mide la escala de la correlación medida entre -1 y 1 y el eje de las X el tiempo medido en segundos. Esta gráfica también es acumulativa presentado el mismo scroll que la anterior. Esta al presentar solo un dato de correlación proveniente de los dos canales no tiene el indicador Left/Right pero si el display numérico que reflejará el valor numérico exacto del coeficiente en el punto exacto de lectura. También presenta el control de zoom y movimiento.
Modulo de Consultas
Con este modulo, a partir de la base de datos obtenida en el módulo de adquisición de datos, un usuario puede consultar por fecha/hora y posición, intervalos de tiempo de medida. De estos intervalos y en base a unas características de configuración se obtienen eventos sonoros y se clasifican y evalúan: se numeran, se añade su duración e intervalo de medida, se calcula su valor Nivel de Exposición Sonora o SEL, un valor único de correlación y se presentan los resultados en una tabla. Paralelamente el sistema devuelve, detecte o no eventos, tres gráficas (Leq canal 1, Leq canal 2 y coeficientes de correlación) de todo el espacio de tiempo consultado. Si el sistema detecta eventos aparecerán marcados en dichas gráficas, si no detecta, el sistema devolverá la tabla de resultados en blanco y las tres gráficas referidas anteriormente sin eventos marcados.
Los eventos obtenidos se clasifican y evalúan mediante una serie de procesos:
Evaluación: se calcula por evento su Nivel de Exposición Sonora y su correlación.
Según la norma UNE-ISO 1996 -1:2005 los ruidos procedentes de sucesos aislados (como el paso de un avión, un camión o una explosión en una cantera), se pueden caracterizar por el descriptor nivel de exposición sonora, LE o SEL.
Correlación: mediante los coeficientes de correlación obtenidos en la fase de detección se calcula un único valor que representara el grado de similitud de la señal captada por los micrófonos. Si es próxima a uno ambos micrófonos captaran prácticamente la misma señal. Si es próxima a cero, ambos micrófonos captaran señales diferentes.
Con este modulo, a partir de la base de datos obtenida en el módulo de adquisición de datos, un usuario puede consultar por fecha/hora y posición, intervalos de tiempo de medida. De estos intervalos y en base a unas características de configuración se obtienen eventos sonoros y se clasifican y evalúan: se numeran, se añade su duración e intervalo de medida, se calcula su valor Nivel de Exposición Sonora o SEL, un valor único de correlación y se presentan los resultados en una tabla. Paralelamente el sistema devuelve, detecte o no eventos, tres gráficas (Leq canal 1, Leq canal 2 y coeficientes de correlación) de todo el espacio de tiempo consultado. Si el sistema detecta eventos aparecerán marcados en dichas gráficas, si no detecta, el sistema devolverá la tabla de resultados en blanco y las tres gráficas referidas anteriormente sin eventos marcados.
Los eventos obtenidos se clasifican y evalúan mediante una serie de procesos:
- Tiempo: se calcula el intervalo de tiempo donde ocurrió el evento. La implantación es extrayendo los datos de fecha/hora del array obtenido en el módulo de acceso a base de datos cuando este es detectado.
- Orden: los eventos se numeran según orden de aparición empezando por el valor 000. La implementación es con un contador inicializado a cero al que se le suma un valor +1 según evento detectado.
- Duración: se calcula la duración del evento La implementación es con un algoritmo que detecta los ejes de bajada de la señal. Estos tiempos son tomados y restados al tiempo inicial. El tiempo inicial se calcula con los ejes de subida que cumpla el “Threshold detector”.
Evaluación: se calcula por evento su Nivel de Exposición Sonora y su correlación.
Según la norma UNE-ISO 1996 -1:2005 los ruidos procedentes de sucesos aislados (como el paso de un avión, un camión o una explosión en una cantera), se pueden caracterizar por el descriptor nivel de exposición sonora, LE o SEL.
Correlación: mediante los coeficientes de correlación obtenidos en la fase de detección se calcula un único valor que representara el grado de similitud de la señal captada por los micrófonos. Si es próxima a uno ambos micrófonos captaran prácticamente la misma señal. Si es próxima a cero, ambos micrófonos captaran señales diferentes.
El nexo de unión y comunicación entre los módulos de adquisición y consultas es una base de datos.
La independencia de los módulos principales y su conexión a través de una base de datos dan lugar a múltiples alternativas:
La independencia de los módulos principales y su conexión a través de una base de datos dan lugar a múltiples alternativas:
- Pueden existir varios sistemas de medida dispuestos en diferentes localizaciones y todos estar midiendo o consultando con la misma base de datos como se hace en un aeropuerto.
- Pueden hacerse consultas en paralelo sobre cualquiera de las localizaciones de medida.
- El sistema es fácilmente escalable, ya que añadir un nuevo puesto de medida no implica reestructurar todo el sistema, simplemente hace falta enrutar la base de datos que se esté usando.
- Puede existir un servidor que almacene todos los datos adquiridos por varios sistemas o cada sistema almacene el suyo o que un sistema almacene el de todos.
Conclusión
Se ha conseguido el objetivo propuesto en este proyecto. Se ha diseñado un prototipo de sistema de medida bicanal basado en PC y un software de medida. Tras las pruebas realizadas, se llega a la conclusión que puede utilizarse para detectar toda clase de eventos sonoros además de clasificarlos y evaluarlos. Solo hay que elegir unas condiciones de umbral y ancho del evento independientemente de la fuente sonora que se tenga. Esta puede ser desde aviones, vehículos (pudiendo evaluar eventos aislados de ruido de tráfico), ruido provocado por un vecino en una vivienda etc.
El sistema de medida puede ser de uso fijo o portátil como se pretendió en los objetivos iniciales.
Fijo, porque tiene la posibilidad de conectarse a la red eléctrica como fuente de alimentación en una localización fija determinada y adquirir datos de forma permanente. Por ejemplo, un hogar cercano a un aeropuerto. Portátil, porque contiene una red de baterías para ir tomando medidas en diferentes localizaciones o en una misma que no disponga de fuente de alimentación. El sistema en ambos casos permite adquirir datos según duración de la batería, característica que define a este tipo de sistemas. Otra característica que le hace ser portátil es la facilidad y comodidad para la instalación del sistema.
Además, se puede integrar este sistema de medida a una red de trabajo general con más sistemas, conectándose a través de un servidor o una propia red de trabajo de forma rápida y sencilla.
Se ha conseguido el objetivo propuesto en este proyecto. Se ha diseñado un prototipo de sistema de medida bicanal basado en PC y un software de medida. Tras las pruebas realizadas, se llega a la conclusión que puede utilizarse para detectar toda clase de eventos sonoros además de clasificarlos y evaluarlos. Solo hay que elegir unas condiciones de umbral y ancho del evento independientemente de la fuente sonora que se tenga. Esta puede ser desde aviones, vehículos (pudiendo evaluar eventos aislados de ruido de tráfico), ruido provocado por un vecino en una vivienda etc.
El sistema de medida puede ser de uso fijo o portátil como se pretendió en los objetivos iniciales.
Fijo, porque tiene la posibilidad de conectarse a la red eléctrica como fuente de alimentación en una localización fija determinada y adquirir datos de forma permanente. Por ejemplo, un hogar cercano a un aeropuerto. Portátil, porque contiene una red de baterías para ir tomando medidas en diferentes localizaciones o en una misma que no disponga de fuente de alimentación. El sistema en ambos casos permite adquirir datos según duración de la batería, característica que define a este tipo de sistemas. Otra característica que le hace ser portátil es la facilidad y comodidad para la instalación del sistema.
Además, se puede integrar este sistema de medida a una red de trabajo general con más sistemas, conectándose a través de un servidor o una propia red de trabajo de forma rápida y sencilla.
Autores
Denis Esteban Perez (alumno de la Universidad Politécnica de Madrid)
Daniel Murmann (Certified LabVIEW Architect, Murmann LVC)
Denis Esteban Perez (alumno de la Universidad Politécnica de Madrid)
Daniel Murmann (Certified LabVIEW Architect, Murmann LVC)