control activo aislamiento ruido patiño 2008

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CONTROL ACTIVO PARA EL AISLAMIENTO DEL RUIDO PRODUCIDO POR EL MOTOR DE LOS CARROS AL INTERIOR DE ESTOS.

LUCAS PATIÑO CEDEÑO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA DE SONIDO

PROYECTO DE GRADO BOGOTA 2007

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CONTROL ACTIVO PARA EL AISLAMIENTO DEL RUIDO PRODUCIDO POR EL MOTOR DE LOS CARROS AL INTERIOR DE ESTOS.

LUCAS PATIÑO CEDEÑO

Proyecto de grado para optar al titulo de:

INGENIERO DE SONIDO

Directores

ING. LUIS JORGE HERRERA

ING. MIGUEL PEREZ

Tutores de fondo.

ING. ESPERANZA CAMARGO

Tutor de forma.

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA DE SONIDO

PROYECTO DE GRADO BOGOTA 2008

3

Notas de aceptación

______________________

______________________

______________________

_____________________ Presidente del jurado

_____________________ Jurado

_____________________ Jurado

4

A mi madre y tía encargadas

de formar lo que soy en este

momento.

5

AGRADECIENTOS.

Expreso mis sinceros agradecimientos:

A los docentes ingeniero Francisco Ruffa e ingeniero Pedro Valletta por su

inmensa sabiduría e innumerables recomendaciones en el desarrollo de este

proyecto.

A mis tutores de fondo ing. Luís Jorge Herrera e ing. Miguel Pérez encargado de

hacer funcionar el algoritmo del sistema de control y de llevar a cabo esta

investigación.

A mi tutora de forma Ing. Esperanza Camargo por su tiempo y por orientarme en

el desarrollo del texto.

Al ingeniero Moisés Guardia que formo parte activa del proceso de mediciones

acústicas del vehículo antes, durante y después de la implementación del

sistema CAR.

Al ingeniero Abelardo Álvarez por su interés en el desarrollo y entrega final del

proyecto.

Al ingeniero Darío Páez por su paciencia en el trámite de préstamo del

equipamiento necesario para realizar las mediciones pertinentes.

Al ingeniero y compañero Antonio Sandoval por sus comentarios siempre de

apoyo y sus tiempos en el proceso de diseño del algoritmo del DSP.

6

A la señora Marlene Cedeño (enfermera MSP. Con énfasis en investigación) por

el tiempo que dedicó a leer este informe y por sus sabios concejos en el tema

investigativo.

A todos los compañeros y amigos que participaron activamente en el desarrollo

del proyecto.

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………11 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………...13

1.1. Antecedentes………………………………………………………………….13 1.2. Descripción del problema……………………………………………….……14 1.3. Justificación………………………………………………...………………….14 1.4. Objetivos……………………………………………………………………….15

1.4.1. Objetivo general………………………………………………………..15 1.4.2. Objetivos específicos………………………………………………….15

1.5. Alcances y limitaciones………………………………………………………16 1.5.1. Alcances………………………………………………………………..16 1.5.2. Limitaciones…………………………………………………………….16

2. MARCO DE REFERENCIA………………………………………………………17 2.1. Marco conceptual……………………………………………………………..17

2.1.1. Fase……………………………………………………………………..18 2.1.2. Ruido……………………………………………………………………19

2.2. Marco teórico………………………………………………………………….24 2.2.1. CAR (control activo de ruido)…………………………………………24

2.2.1.1. Sistema car feed-forward……………………………………..32 2.2.1.2. Sistema car feed-back ………………………………………..34

2.2.2. Filtros adaptativos lms………………………………………………...35 2.2.3. Dsp (digital signal processor)………………………………………...36 2.2.4. Interferencia destructiva………………………………………………37 2.2.5. Superposición de ondas………………………………………………38

3. METODOLOGIA...…………………………………………………………………40 3.1. Enfoque de la investigación………………………………………………….40 3.2. Línea de investigación de usb / sub-línea de facultad / campo temático

del programa línea de investigación………………………………………..40 3.3. Hipótesis……………………………………………………………………….41 3.4. Variables……………………………………………………………………….41

3.4.1. Variables independientes……………………………………………..41 3.4.2. Variables dependientes……………………………………………….41

4. DESARROLLO INGENIERIL……………………………………………………..42 4.1. Mediciones de nivel de presión sonora antes de la implementación del

sistema car…………………………………………………………………….42 4.1.1. Primera medición. (medición del ruido del motor en el exterior del

carro)………………………………………………………………………42 4.1.1.1. Condiciones………………………………………………………42 4.1.1.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente leq…….44 4.1.1.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia por

bandas de tercio de octava con el motor encendido………...45 4.1.2. Segunda medición. (medición de ruido del motor al interior del

carro)…………………………………………………………………….46 4.1.2.1. Medición uno (interior motor apagado)……………………...46

4.1.2.1.1. Condiciones…………………………………………….46

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4.1.2.1.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente leq. motor apagado………………………………………48

4.1.2.1.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia por bandas de tercio de octava con el motor apagado..49

4.1.2.2. Medición dos (interior motor encendido)……………………49 4.1.2.2.1. Condiciones……………………………………………49 4.1.2.2.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente

leq. motor encendido…………………………………….51 4.1.2.2.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia

por bandas de tercio de octava con el motor apagado…………………………………………………….52

4.1.2.3. Comparaciones……………..………………………………………52 4.1.2.3.1. Interior motor apagado………………………………..52 4.1.2.3.2. Interior motor encendido………………………………53 4.1.2.3.3. Grafica comparativa…………………………………...53

4.1.3. Tercera medición. (simulación de control activo de ruido)………..54 4.1.3.1. Condiciones de medición……………………………………..55 4.1.3.2. Valores de leq obtenidos con la fuente primaria en

funcionamiento con una entraba de 28 voltios y generando 80 hz en fase de 0 grados………………………………………….56

4.1.3.3. Valores de leq obtenidos con la fuente primaria en funcionamiento con una entraba de 28 voltios y generando 80 hz en fase 0; y la fuente secundaria en funcionamiento con 2,1 voltios de entrada, generando 80hz en contra fase de 180 grados……………………………………………………………..57

4.2. Diseño del algoritmo para el sistema car con el dsp tms320c6713……..59 4.2.1. Filtro……………………………………………………………………..59 4.2.2. Modelo…………………………………………………………………..60

4.3. Simulaciones algoritmo………………………………………………………61 4.3.1. Simulación del algoritmo en matlab (tono puro)……………………61 4.3.2. Simulación del algoritmo en matlab (ruido interno del automóvil)..63

4.3.2.1. Algoritmo………………………………………………………..64 4.3.2.2. Señal de entrada………………………………………………65 4.3.2.3. Señal vista a la salida del filtro lms…………………………..66 4.3.2.4. Señal de error………………………………………………….67

4.4. Pruebas de laboratorio……………………………………………………….68 4.4.1. Pruebas de desfase entre dispositivo……………………………….68

4.4.1.1. Equipamiento necesario………………………………………68 4.4.1.2. Procedimiento………………………………………………….68

5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………70 5.1. Procedimiento de medición………………………………………………….70

5.1.1. Determinación de los tiempos de retraso de señal………………...70 5.2. Diseño del sistema de control activo feedback……………………………71

5.2.1. Programaciones del dsp………………………………………………71 5.2.2. Fuente secundaria……………………………………………………..73 5.2.3. Sistemas de captura de señal………………………………………..75

9

5.2.4. Sistemas de medición y rta…………………………………………...76 5.2.5. Consola o preamp……………………………………………………..77 5.2.6. Diagrama de flujo de todo el sistema de control activo de ruido

feedback.. ………………………………………………………………79 5.3. Resultados arrojados por la medición con el sistema car en

funcionamiento………………………………………………………………..80 5.4. Análisis de resultados………………………………………………………...84 5.5. Errores sistemáticos………………………………………………………….86

6. CONCLUSIONES………………………………………………………………….87 7. RECOMENDACIONES……………………………………………………………90 8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………….91 ANEXOS………………………………………………………………………………..92

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ILUSTRACIONES

Ilustración 1 FASE ......................................................................................................... 19 Ilustración 2 RUIDO ....................................................................................................... 23 Ilustración 3 FEED-FORWARD 1 ................................................................................ 29 Ilustración 4 FEEDBACK 1 ........................................................................................... 30 Ilustración 5 TECNICAS DE CONTROL DE RUIDO................................................ 32 Ilustración 6 FEED-FORWARD 2 ................................................................................... 33 Ilustración 7 FEEDBACK 2 ............................................................................................. 34 Ilustración 8 DSP............................................................................................................ 37 Ilustración 9 INTERFERENCIA DESTRUCTIVA ...................................................... 38 Ilustración 10 SUPERPOSICION DE ONDAS .......................................................... 39 Ilustración 11 MEDICION Leq EXTERIOR MOTOR ON ......................................... 44 Ilustración 12 ESPECTRO Leq EXTERIOR .............................................................. 45 Ilustración 13 GRAFICO Leq EXTERIOR .................................................................. 45 Ilustración 14 MEDICION Leq INTERIOR MOTOR OFF ........................................ 48 Ilustración 15 ESPECTRO Leq INTERIOR OFF ...................................................... 49 Ilustración 16 MEDICION Leq INTERIOR MOTOR ON .......................................... 51 Ilustración 17 ESPECTRO Leq INTERIOR ON ........................................................ 52 Ilustración 18 COMPARACION CAR ON -OFF ........................................................ 53 Ilustración 19 GRAFICO MEDICION Leq INTERIOR ............................................. 54 Ilustración 20GRAFICO SIMULACION CAR ............................................................. 58 Ilustración 21 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMULACION CAR.............................. 58 Ilustración 22 FILTRO DSP ............................................................................................. 60 Ilustración 23 MODELO FINAL DSP ............................................................................. 61 Ilustración 24 SIMULACION 1 (TONO PURO)............................................................. 62 Ilustración 25 OSCILOSCOPIO SIMULACION 1.......................................................... 63 Ilustración 26 SIMULACION 2 (RUIDO INTERNO) .................................................... 64 ilustracion 27 SEÑAL DE ENTRADA SIMULACIÓN 2 ............................................... 65 Ilustración 28 SEÑAL DE SALIDO SIMULACION 2 ................................................... 66 Ilustración 29 SEÑAL DE ERROR SIMULACION 2..................................................... 67 Ilustración 30 DIAGRAMA BLOQUS PRUEBAS DE LABORATORIO.................. 69 Ilustración 31 DSP FINAL ............................................................................................... 72 Ilustración 32 POSICION FUENTE SECUNDARIA.................................................. 73 Ilustración 33 CAJON DEL ALTAVOZ ........................................................................ 74 Ilustración 34 RESPUESTA EN FRECUENCIA ALTAVOZ .................................... 74 Ilustración 35 GRAFICO DE MEDICION.................................................................... 75 Ilustración 36 RESPUESTA EN FRECUENCIA MICROFONO.............................. 76 Ilustración 37DIAGRAMA POLAR M ICROFONO.................................................... 76 Ilustración 38 CALIBRACION DEL SMAART LIVE .................................................. 77 Ilustración 39 DIAGRAMA DE FLUJO FINAL CAR .................................................. 79 Ilustración 40 GRAFICO CAR FINAL ......................................................................... 80 Ilustración 41 Leq MOTOR ON....................................................................................... 82 Ilustración 42 CAR ON .................................................................................................... 83 Ilustración 43 GRAFICA COMPARATIVA CAR ON - OFF......................................... 84

11

INTRODUCCIÓN Este proyecto consiste en el desarrollo de una técnica de aislamiento del ruido

producido por el motor de los automotores al interior de estos, mediante la

implementación de un sistema denominado “control activo de ruido”. En otras

palabras, la disminución del nivel sonoro por medio de la interferencia

destructiva o cancelación de fase. Para la mayoría de las personas, el sonido del

motor de los carros a la hora de conducir por largas jornadas -factor que se ha

vuelto muy común en la ciudad de Bogotá debido a la gran cantidad de

vehículos automotores que resulta en congestionamientos interminables- suele

tornarse molesto por ser un ruido de componentes de baja frecuencia que en la

mayoría de los casos puede terminar convirtiéndose en fuertes dolores de

cabeza y jaqueca en general, y que a la vez suele mezclarse con los ruidos

normales de la ciudad y de el sistema sonoro del vehículos par dejar como

resultante un espacio interior insoportable por el alto nivel de presión sonora

que encontramos y que como ya sabemos no es apto para la buena salud

mental y física de las personas.

En el transcurso de los años, los avances a nivel tecnológico y en el campo de la

acústica son interminables, hablando de sistemas de insonorización para

recintos arquitectónicos, pero en el campo automotor no encontramos muchos

estudios, debido en gran parte a las limitaciones espaciales de estos, que hacen

que sea casi imposible hacer un tratamiento acústico de aislamiento por masa.

Por otra parte, el ruido que este proyecto quiere tratar, como ya se dijo

anteriormente, es un ruido de principalmente baja frecuencia, lo que implicaría

para realizar la insonorización por métodos comunes una reducción exagerada

de las dimensiones espaciales interiores del carro del conductor y pasajeros

poniendo materiales absorbentes que como ya sabemos no funcionan de

manera optima para el tratamiento de bajas frecuencias pero si en banda madia

y alta.

12

Por esta razón, y basándose en la información existente para el tratamiento de

baja frecuencias, es que se decidió hacer el tratamiento del ruido del motor del

carro por medio de la implementación del control activo de ruido que funciona

extremadamente bien en este tipo de insonorización.

13

1. Planteamiento Del Problema 1.1. Antecedentes

En la década de los 70, Jessel y Mangiante (1972) introdujeron el concepto de la

absorción activa. Demostraron que el principio de Huygens y el de la absorción

activa eran casos particulares de un mismo principio de perturbación general.

Poco después se publicó el importante artículo de Widrow et al. (1975) sobre

principios y aplicaciones del filtrado adaptativo, que abría una nueva vía de

investigación e innovación en control activo. Hasta entonces los filtros eran fijos,

no podían seguir las variaciones del ruido. Dedujeron las famosas ecuaciones

del filtrado adaptativo por mínimos cuadrados, que permitían implementar filtros

con coeficientes que se actualizaban en el tiempo. Discutieron algunas

aplicaciones, como el filtrado de los 50 Hz en aplicaciones médicas y la

cancelación de los lóbulos laterales de antenas y sónares.

Con la aparición de las placas DSP en los años 80, toda una revolución en

control activo, se empezó a concebir el CAR como una técnica con capacidad

para solucionar problemas reales. Surgieron las primeras aplicaciones prácticas

para reducir el ruido de escape de motores y en el interior de coches (Oswald,

1984; Trinder et al., 1986; Elliott et al., 1988).

Muy importante fue la contribución de Carme (1988) en el desarrollo de

protectores auditivos activos.

El periodo más fructífero para el CAR, tanto en aspectos prácticos como

teóricos, se concentra en los últimos diez años. Nelson y Elliott (1992), del

Instituto de Sonido y Vibraciones de la Universidad de Southampton (ISVR),

publican un volumen sobre control activo del ruido, en el que asientan los

fundamentos acústicos y de control involucrados en los sistemas CAR.

14

Paralelamente, en la Universidad de Adelaida (Australia) se forma un equipo de

control activo del ruido y vibraciones que destaca hasta el momento, no sólo por

sus investigaciones fundamentales (Hansen y Snyder, 1997; Snyder y Vokalek,

1994; Snyder, 2000), sino también por las numerosas aplicaciones prácticas que

realiza (Smith et al., 1996; Tanaka et al., 1996; Cazzolato y Hansen, 1998).

1.2. Descripción Del Problema Para la mayoría de las personas, resulta muy incomodo el ruido producido por

los motores de sus carros, que son ruidos de componentes en baja frecuencia,

que al exponer una persona por largas jornadas a estos, suelen terminar

alterando los estados anímicos, mentales y físicos sobretodo en los órganos

auditivos de los pasajeros. Por esta razón, es necesario hacer una investigación

para el tratamiento acústico de los carros, con la implementación de un control

activo de ruido para lograr la insonorización de este sin alterar las dimensiones

espaciales del habitáculo del vehículo. Con esta tecnología, se intenta llegar a la

cancelación parcial del ruido por medio de la reproducción del mismo a cancelar,

pero en fase contraria, lo que por medio de la interferencia destructiva lleva a la

disminución del nivel de presión sonora en algo que suelen denominar “zona que

silencio”. ¿Como lograr por medio de la implementación del control activo de

ruido la cancelación o disminución parcial del ruido del motor de los carros en el

interior de estos?

1.3. Justificación

Como ya se ha dicho anteriormente, el tratamiento de los ruidos de baja

frecuencia con la utilización de métodos comunes tales como la absorción

sonora por masa o llamándolo de otra manera, la disminución de nivel sonoro

por absorción resulta poco funcional debido a las partes físicas de estos

15

(longitudes de onda muy grandes) que suelen pasar por encima de los

materiales absorbentes, por esta razón es necesaria la implementación de otros

sistemas de cancelación sonora que funciones mejor en bajas frecuencias como

es el control activo de ruido, que es una tecnología especial para el tratamiento

de bajas frecuencias por utilizar lo que se denomina la interferencia destructiva o

cancelación por fase.

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo General Implementar un sistema de control activo de ruido para la atenuación del sonido

de baja frecuencia producido por los motores en el interior de los automóviles

basándose en la técnica FEEDBACK.

1.4.2. Objetivos Específicos

• Realizar mediciones de nivel de presión sonora por bandas de frecuencia

en el interior de un vehículo antes y después del desarrollo del CAR.

• Diseñar un sistema de control activo de ruido para automotores.

• Diseñar el algoritmo para el CAR FEEDBACK utilizando el DSP

TMS320C6713

• Implementar el sistema de control activo de ruido en un vehículo

16

1.5. Alcances Y Limitaciones

1.5.1. Alcances

Hacer una investigación profunda en el campo del control activo de ruido y su

técnica FEEDBACK para el desarrollo del un sistema aislante del ruido

producido por el motor de un carro en el interior de este, con el que se

lograra llegar al mercado de las personas que tiene automóvil y desean que

el interior de sus carros este mas descontaminado a nivel sonoro.

1.5.2. Limitaciones

Este proyecto se vera limitado por el numero de investigaciones en el tema

que resultan muy escasas. A demás, el difícil acceso a conseguir los

componentes de diseño del sistema y la importación de estos tales como el

sistema DSP, y los componentes de captación y reproducción de la señal.

A su vez, se vera limitado por la necesidad de hacer una corrección de fase

por banda de la señal lo que implica un nivel de procesamiento de señal muy

alto lo qué requiere de un DSP muy avanzado. Por otra parte, es necesario

escoger unos filtros que no sumen latencia al sistema y la escogencia de los

altavoces debido a que deben responder de manera lineal en todo el

espectro lo que implica un alto costo.

17

2. MARCO DE REFERENCIA.

2.1. MARCO CONCEPTUAL

A continuación, se describirán algunos términos que se consideran importantes

de definir para que el lector no pierda la continuidad de la lectura.

Durante la historia moderna de la sociedad, el ruido comúnmente conocido

como todos aquellos sonidos que resultan molestos para los oyentes, ha sido

motivo de estudio para lograr su disminución por diferentes métodos, conocidos

como control de ruido que son las técnicas que se utilizan para la disminución

parcial o total de los ruidos que resultan molestos para el oyente. Existen dos

técnicas que se utilizan para el control de ruido denominadas control pasivos y

los activos. Los pasivos son los métodos comunes de aislamiento por masa que

se consigue principalmente por peso de los elementos constructivos: a mayor

masa, mayor resistencia opone al choque de la onda y mayor es la atenuación

convirtiendo la energía acústica en energía calórico, funcionando de manera

muy eficaz en alta frecuenta. Para el tratamiento de baja recuenta, es

indispensable la implementación de un sistema de control activo de ruido o

aislamiento por métodos electrónicos. El principal método de aislamiento activo

es el control activo de ruido o CAR. Que es un sistema de aislamiento acústico

mediante el cual se logra una disminución de nivel de presión sonora por medio

de la cancelación de fase de la señal. La fase de una onda expresa la posición

relativa de un monte o valle de esta , con respecto a otra onda, en una sola onda

la fase se mide con respecto a t=0 cuando dos señales están desfasadas 180

grados una de la otra, se dice que hay una cancelación por fase destructiva.

Para lograr la cancelación de fase de una señal de audio, es necesario lograr la

manipulación de esta por medios digitales,

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Lo que hace indispensable el implemento de un DSP (digital signal processor)

que es un dispositivo encargado de hacer el tratamiento digital de la señal. El

tratamiento de esta señal ya digitalizada se hace por medio de algoritmos que

son conjuntos finitos de instrucciones o pasos que sirven para ejecutar una

tarea. De un modo más formal, un algoritmo es una secuencia finita de

operaciones realizables, cuya ejecución da una solución de un problema en un

tiempo finito. Como el problema a tratar es específicamente de baja frecuencia,

es necesario hacer el filtrado de la señal por medio de la implementación de

filtros que son dispositivo electrónico con la capacidad de alterar la componente

espectral de una señal de audio a partir de una frecuencia determinada por el

usuario.

2.1.1. FASE

El momento o punto en el que dos señales se encuentran en un instante

determinado se llama fase.

La fase, representada por la letra griega Fi (φ) puede medirse como un tiempo,

una distancia, o un ángulo (en grados 0º a 360º).

Cuando esa distancia, tiempo o ángulo es cero, se dice que las ondas están en

fase.

Por otra parte, existe un fenómeno denominado desfase. y puede producir

distorsión en las señales e, incluso, anularlas. Dos ondas idénticas desfasadas

180º (es decir, en contrafase) se cancelan.

19

Ilustración 1 FASE

2.1.2. RUIDO El ruido es el contaminante más común, y puede definirse como cualquier sonido

que sea calificado por quien lo recibe como algo molesto, indeseado, inoportuno

o desagradable. Así, lo que es música para una persona, puede ser calificado

Como ruido para otra. En un sentido más amplio, ruido es todo sonido percibido

no deseado por el receptor, y se define al sonido como todo agente físico que

estimula el sentido del oído.

Tanto el ruido como el sonido se expresan en decibeles (dB) y se miden con

unos instrumentos llamados Sonómetros

20

• Efectos Auditivos El sistema auditivo se resiente ante una exposición prolongada a una fuente de

ruido, aunque ésta sea de bajo nivel.

El déficit auditivo provocado por el ruido ambiental se llama psicoacusia.

Una persona cuando se expone prolongadamente a un nivel de ruido excesivo,

nota un silbido en el oído, ésta es una señal de alarma. Inicialmente, los daños

producidos por una exposición prolongada no son permanentes, sobre los 10

días desaparecen.

Sin embargo, si la exposición a la fuente de ruido no cesa, las lesiones serán

definitivas. La sordera irá creciendo hasta que se pierda totalmente la audición.

No sólo el ruido prolongado es perjudicial, un sonido repentino de 160dBa, como

el de una explosión o un disparo, pueden llegar a perforar el tímpano o causar

otras lesiones irreversibles. Citando puntualmente las afecciones auditivas que

produce el ruido tenemos: Desplazamiento Temporal Del Umbral De Audición y

el Desplazamiento Permanente del umbral de audición.

• Desplazamiento temporal del umbral de audición. Consiste en una elevación del umbral producida por la presencia de un ruido,

existiendo recuperación total al cabo de un periodo de tiempo, siempre y cuando

no se repita la exposición al mismo. Se produce habitualmente durante la

primera hora de exposición al ruido.

• Desplazamiento permanente del umbral de audición. Es el mismo efecto TSS pero agravado por el paso del tiempo y la exposición al

ruido. Cuando alguien se somete a numerosos TTS y durante largos periodos de

tiempo (varios años), la recuperación del umbral va siendo cada vez más lenta y

dificultosa, hasta volverse irreversible.

El desplazamiento permanente del umbral de audición esta directamente

vinculado con la presbiacusia (pérdida de la sensibilidad auditiva debida a los

efectos de la edad).

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La sordera producida por el desplazamiento permanente del umbral de audición

afecta a ambos oídos y con idéntica intensidad.

• Interferencia en la comunicación oral

La inteligibilidad de la comunicación se reduce debido al ruido de fondo. El oído

es un transductor y no discrimina entre fuentes de ruido, la separación e

identificación de las fuentes sonoras se da en el cerebro. Como ya es sabido, la

voz humana produce sonido en el rango de 100 a 10000Hz, pero la información

verbal se encuentra en el rango de los 200 a 6000Hz. La banda de frecuencia

determinada para la inteligibilidad de la palabra, es decir entender palabra y

frase, esta entre 500 y 2500 Hz. La interferencia en la comunicación oral durante

las actividades laborales puede provocar accidentes causados por la

incapacidad de oír llamados de advertencia u otras indicaciones n oficinas como

en escuelas y hogares, la interferencia en la conversación constituye una

importante fuente de molestias.

• Efectos sobre el sueño

El ruido produce dificultades para conciliar el sueño y despertar a quienes están

dormidos. El sueño es una actividad que copa un tercio de nuestras vidas y nos

permite descansar, ordenar y proyectar nuestro consciente. El sueño esta

constituido por dos tipos: el sueño clásico profundo(No REM (etapa de sueño

profundo), el que a su vez se divide en cuatro fases distintas), y por otro lado

esta el sueño paradójico (REM). Se ha demostrado que sonidos del orden de

aproximadamente 60 dBA, reducen la profundidad del sueño, acrecentándose

dicha disminución a medida que crece la amplitud de la banda de frecuencias,

las cuales pueden despertar al individuo, dependiendo de la fase del sueño en

que se encuentre y de la naturaleza del ruido. Es importante tener en cuenta que

estímulos débiles sorpresivos también pueden perturbar el sueño.

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• Efectos sobre la conducta

El ruido produce alteraciones en la conducta momentáneas, las cuales consisten

en agresividad o mostrar un individuo con un mayor grado de desinterés o

irritabilidad. Estas alteraciones, que generalmente son pasajeras se producen a

consecuencia de un ruido que provoca inquietud, inseguridad o miedo en

algunos casos.

• Efectos en la memoria

En aquellas tareas en donde se utiliza la memoria se ha demostrado que existe

un mayor rendimiento en aquellos individuos que no están sometidos al ruido,

debido a que este produce crecimiento en la activación del sujeto y esto en

relación con el rendimiento en cierto tipo de tareas, produce una sobre

activación traducida en el descenso del rendimiento. El ruido hace que la

articulación en una tarea de repaso sea más lenta, especialmente cuando se

tratan palabras desconocidas o de mayor longitud, es decir, en condiciones de

ruido, el individuo se desgasta psicológicamente para mantener su nivel de

rendimiento.

• Efectos en la atención

El ruido hace que la atención se localice en aquellos aspectos más importantes

de la tarea, haciendo que esta se pierda en otros considerados de menor

relevancia.

• Efectos en el embarazo

Se ha observado que las madres embarazadas que han estado desde

comienzos de su embarazo en zonas muy ruidosas, tienen niños que no sufren

alteraciones, pero si la exposición ocurre después de los 5 meses de gestación,

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después del parto los niños no soportan el ruido, lloran cuando lo sienten, y al

nacer tienen un tamaño inferior al normal.

• Efectos sobre los niños

El ruido repercute negativamente sobre el aprendizaje y la salud de los niños.

Cuando los niños son educados en ambientes ruidosos, éstos pierden su

capacidad de atender señales acústicas y sufren perturbaciones en su

capacidad de escuchar y un retrazo en el aprendizaje de la lectura, dificulta la

comunicación verbal favoreciendo el aislamiento y la poca sociabilidad.

Ilustración 2 RUIDO

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2.2. MARCO TEORICO

2.2.1. CAR (CONTROL ACTIVO DE RUIDO) Evolución Histórica1 La idea de utilizar el principio de interferencia destructiva para controlar el ruido

fue patentada en 1933 por un científico alemán, Paul Lueg (Guicking, 1990). Sin

embargo, hasta los años 50, no se desarrollaron las primeras aplicaciones

prácticas. Olson y May (1953) diseñaron un sistema activo para reducir el ruido

en zonas localizadas. Fue uno de los trabajos pioneros en la combinación de

sistemas activos y pasivos para la reducción del ruido. El diseño consistía en un

resonador de Helmholtz con material absorbente en la pared opuesta a la

entrada, combinado un sistema micrófono-altavoz a la entrada del resonador,

Consiguieron reducciones de entre 10 y 25 dB entre 30 y 300 Hz. El dispositivo

era más eficaz cuanto más próximos estaban el altavoz y el micrófono.

Existen en el mercado un conjunto de medidas encaminadas a eliminar total o

parcialmente los componentes de ruido en el ambiente o dicho bajo otro nombre,

la contaminación sonora, que se denomina Control de Ruido. El ruido se puede

controlar mediante.

• Técnicas pasivas

• Técnicas activas

• Técnicas híbridas pasivas-activas

Las técnicas pasivas son las que ya todos conocemos como técnicas de

aislamiento acústico por medio de la implementación de materiales absorbentes

o absorción por masa que no son el tema a tratar en este proyecto, por lo que

pasaremos de inmediato al segundo ítem. 1 control activo del ruido radiado por Estructuras bidimensionales Maria Cuesta Ruiz.

25

El control activo de ruido es una técnica que se ha venido aplicando con buenos

resultados desde los años 50; para complementar los resultados obtenidos con

técnicas pasivas de control sonoro que como ya se a dicho anteriormente, no

funcionan muy bien en banda baja debido a la elevada longitud de onda de estas

frecuencias. En este trabajo de grado, se presenta la implementación de un

sistema de control con objeto de atenuar la componente periódica de baja

frecuencia debida al ruido del motor. Esta componente, entre 31 y 150 Hz,

puede llegar a tener un valor importante cuando coincide con la frecuencia de

resonancia del habitáculo, produciendo una sensación bastante molesta para el

pasajero. Los sistemas CAR tratan de generar electrónicamente un ruido

secundario de similar amplitud y en contrafase con el ruido existente (ruido

primario). En condiciones de linealidad, ambos campos interfieren

destructivamente, resultando en una reducción neta del campo sonoro total.

Este principio funciona tanto mejor cuanto más baja es la frecuencia y cuanto

más simples son la estructura espacial y frecuencias del ruido. Con esta

información, sabemos que estas técnicas activas funcionan perfectamente en

baja frecuencia lo que las hace complemento perfecto con técnicas pasivas que

sabemos que funcionan muy bien en banda media y alta.

El hombre urbano pasa una parte importante de su tiempo en el interior de

medios de transporte públicos o privados (coches, autobuses, aviones). El ruido

del motor de un vehículo es periódico, con picos a las frecuencias N, 2N, 3N,

4N,..., siendo N la frecuencia de funcionamiento del motor. Para este caso

especifico, la frecuencia con mayor nivel de presión sonora es N=31Hz lo que

nos muestra claramente que el principal problema de ruido en el interior del

vehículo es de baja frecuencia. Para reducirlo mediante control pasivo, habría

que incrementar el aislamiento (y por consiguiente, el peso) y/o la absorción (lo

que implicaría reducir el volumen del habitáculo). De hecho, los coches de gama

alta suelen ser menos ruidosos (también más caros) porque incorporan más

26

aislamiento y absorción. En cambio, los coches de gama baja y media son más

ruidosos, aunque son más ligeros y consumen menos combustible.

El problema del control del ruido en el interior de los aviones es muy similar. Es

esencialmente ruido de baja frecuencia, y para aumentar el aislamiento acústico

en el interior del habitáculo hay que añadir excesivo peso, lo cual puede dificultar

el funcionamiento del avión.

Los sistemas CAR requieren censores acústicos (micrófonos, por ejemplo) para

medir el ruido primario y actuadores acústicos (altavoces, por ejemplo) para

generar el ruido secundario. Por el contrario que los micrófonos, que son

relativamente pequeños, los altavoces requieren un mayor espacio para su

instalación. Esto puede llegar a ser un problema, sobre todo en aplicaciones

CAR multicanal que requieren un cierto número de actuadores. Por ejemplo,

Bravo et al. (1999) implantaban un sistema CAR con seis altavoces en el interior

de una furgoneta para cancelar el booming (ruido característico que se produce

cuando el orden 2N del motor excita una resonancia del habitáculo), y Elliott et

al. (1990) diseñaban un sistema CAR multicanal con 16 altavoces para atenuar

el ruido en el interior de un avión British Aerospace 748. Uno de los principios

básicos es que el control activo del ruido es más eficiente cuando actúa próximo

a la fuente.

La bondad del sistema de control depende de la fidelidad de las señales que den

los censores con respecto a las ondas de presión que representan. En este

sentido, los transductores y el amplificador de audio han de tener buenas

características en el margen de frecuencias de interés (al menos hasta 200 Hz),

en términos de S/N (relación señal/ruido), distorsión y respuesta en frecuencia

(amplitud y fase). Por ejemplo, los micrófonos que pueden utilizarse son de tipo

electret, de bajo costo.

27

En cuanto a la señal de referencia obtenida del motor existen varias alternativas:

utilizar un micrófono, un acelerómetro o un tacómetro. Lo más aconsejable es

utilizar la señal que se entrega al propio cuenta-revoluciones del vehículo,

acondicionado convenientemente a las características de entrada de nivel del

controlador. Las otras dos opciones no suelen ser prácticas. El micrófono ha de

soportar unas condiciones de trabajo muy severas (temperatura, suciedad,

corrosión, etc.) y esto hace que se pierda rápidamente las características

iniciales del micrófono. La desventaja del acelerómetro es su precio que puede

hacer económicamente inviable el prototipo. La zona virtual de atenuación tiene

unas dimensiones de aproximadamente una esfera de diámetro la décima parte

de la longitud de onda. Por ejemplo, para 100 Hz la zona de atenuación es de 34

cm., y se reduce drásticamente conforme se aumenta en frecuencia, de aquí que

el margen de frecuencias de trabajo para las técnicas de control activo de ruido

no supere los 500 Hz. Aún así, las dimensiones de atenuación pueden

aumentarse colocando dos zonas de cancelación próximas, convirtiéndose las

dos esferas virtuales de atenuación en una elipsoide de ejes l/2 y l/10,

aproximadamente.

La ubicación de los elementos transductores también condiciona la atenuación

final obtenida. Ha de realizarse un estudio exhaustivo de optimización de la

atenuación en función de las diferentes posiciones de los altavoces y de los

micrófonos. En un vehículo no existen muchas alternativas de ubicación de los

mismos.

Los algoritmos de procesado de señal encargados de generar el ruido

secundario deben ser capaces de seguir las variaciones naturales de la

estadística del ruido manteniendo un nivel alto de cancelación, lo que requiere el

uso de algoritmos adaptativos sofisticados, con alta velocidad de convergencia y

buena precisión de seguimiento del escenario acústico.

28

Un controlador electrónico, basado en un procesador digital de señales, será el

encargado de producir las variaciones de amplitud y fase de forma dinámica, de

acuerdo con una señal de referencia obtenida del propio motor y de dos señales

de realimentación suministradas por dos micrófonos, (para el caso de técnica

feed-forward) situados en los reposa cabezas. Un amplificador de potencia será

el nexo de unión entre las señales generadas por el controlador y los altavoces

encargados de transformarlas en ondas de presión. Obviamente, la ganancia del

amplificador será suficiente para producir ondas de presión de nivel equiparable

al inicialmente existente.

Este controlador electrónico o DSP, procesa las señales acústicas de los

censores de referencia (que detectan el ruido primario) y de error (que miden el

campo en el punto de cancelación), para generar la señal que excita las fuentes

secundarias. Este proceso es un claro problema de extrapolación de campos de

ondas, donde conocido el campo acústico en un punto se predice la forma de

éste en otra zona del espacio.

Por consiguiente se debe modelizar la propagación tanto del campo primario,

entre los censores de referencia y de error, como del secundario, entre las

fuentes secundarias y los censores de error. La separación entre los censores

de referencia y de error debe ser suficiente para que el controlador tenga tiempo

de procesar las señales medidas y generar el campo secundario. Este es el

principio de causalidad, de cumplimiento obligatorio en cualquier sistema CAR,

que impone que el camino acústico ha de ser mayor que el camino electrónico.

Tanto en control local como en control global, la cancelación es mayor cuanto

más próximas estén las fuentes primaria y secundaria, con relación a la longitud

de onda. Por esto el CAR sólo es efectivo en el margen de bajas frecuencias. La

eficacia aumenta también con el número de fuentes secundarias. De acuerdo

con el criterio de Nyquist, se puede reconstruir un frente de ondas con un

número finito de fuentes, con tal de que éstas estén separadas una distancia

29

menor que la mitad de la longitud de onda máxima presente en el frente

primario.

Al aumentar la frecuencia, el número de fuentes secundarias crece también, y el

principio de la cancelación activa se vuelve inviable.

El controlador es el componente que minimiza la señal de error. Procesa la

información acústica que le llega y ajusta la señal de control hasta optimizar la

atenuación en el censor de error. Puede recibir información a priori del ruido

primario a través de una señal de referencia (acústica o de vibración), en cuyo

caso se dice que la estrategia de control es feedforward o anticipativa.

Ilustración 3 FEED-FORWARD 1

En el caso la señal procedente del censor de error alimenta directamente la

fuente secundaria, y el controlador tiene una estructura feedback o por

realimentación

30

Ilustración 4 FEEDBACK 1

El filtro es la parte del controlador que determina la señal secundaria a partir de

la estimación de las funciones de transferencia del sistema. Se requiere además

un algoritmo adaptativo que varíe estos coeficientes del filtro hasta que la señal

de control que proporciona, optimice la atenuación de la señal de error.

Los dispositivos CAR implementan algoritmos de mínimos cuadrados,

concretamente el LMS

Este algoritmo adaptativo calcula los coeficientes del filtro con el método del

descenso más pronunciado (steepest descent), según el cual, los coeficientes

del filtro en el siguiente paso, W(k+1), son iguales a los del paso actual, W(k),

más un cambio proporcional a la señal de error, e(k),

Donde µ es un parámetro que controla la estabilidad y la velocidad de

convergencia. Esta ecuación, representa las ecuaciones del algoritmo LMS del

Filtrado adaptativo, también conocidas como ecuaciones de Widrow-Hoff.

31

Para aplicaciones CAR se debe alterar ligeramente este algoritmo porque la

señal de error está modificada por la vía de error (Nelson y Elliott, 1992), que es

la función de transferencia entre el censor de error y la fuente secundaria. Se

define una señal de referencia filtrada por la vía de error, r(k), de manera que los

Coeficientes del nuevo filtro se actualizan tanto por la señal de error, e(k), como

por la señal de referencia filtrada, r(k), según.

Este último algoritmo es el mas utilizado en métodos de control activo CAR y se

denomina FxLMS Se implementa como un filtro de respuesta impulsiva finita

(FIR). Otra versión del algoritmo LMS es el FuLMS, que suele implementarse en

filtros de respuesta infinita (IIR) (Eriksson, 1991).

El gran desarrollo de las técnicas de procesado digital de señal (DSP) y la

posibilidad de integrarlas en placas potentes y rápidas, ha permitido la

implementación de estos filtros adaptativos, y ofrece un futuro alentador para la

mejora de los resultados CAR con la posibilidad de utilizar algoritmos más

potentes.

32

Ilustración 5 TECNICAS DE CONTROL DE RUIDO

2.2.1.1. Sistema CAR FEED-FORWARD.

Una cantidad considerable de ruido de banda ancha se produce en conductos

tales como tubos de escape y ventilación de sistemas. Un sistema de control

relativamente simple con alimentación en adelanto en un conducto se muestra

en la figura 3. X(n), la señal de la referencia, es detectada por un micrófono

cerca de la fuente de ruido antes de que pase el altavoz. El cancelador del ruido

utiliza la señal de entrada de referencia para generar una señal y(n) de la

amplitud igual a x(n) pero con un desfase de 180°. Se conduce esta señal “anti-

33

ruido” hacia el altavoz para producir un sonido que atenúa el ruido acústico

primario en el conducto. El principio base de la técnica de control por de ruido de

banda ancha por medio de alimentación en adelanto consiste se basa en que el

retraso que existe entre el sensor (micrófono de entrada) y la fuente activa de

control (altavoz) permite reintroducir eléctricamente el ruido en un posición en el

campo donde se causará la cancelación. El espaciamiento entre el micrófono en

la entrada y el altavoz debe satisfacer los principios de causalidad y de alta

coherencia, es decir que la referencia se debe medir temprano de manera que

se pueda generar la señal de “anti-ruido” en el momento que la señal de ruido

alcance el altavoz y también se debe cumplir que la señal de ruido en el altavoz

sea muy similar al ruido medido en la entrada entre el micrófono, es decir que el

canal acústico no debe cambiar el ruido de manera perceptible.

Ilustración 6 FEED-FORWARD 2

El micrófono a la salida mide el la señal de error (residuo), la cual es utilizada

para adaptar los coeficientes del filtro para minimizar este error. El utilizar la

señal de error para adaptar los coeficientes del filtro no representa una

retroalimentación, ya que la señal de error no está siendo comparada con la

referencia de entada.

34

2.2.1.2. Sistema CAR FEED-BACK El sistema de control ANC con retroalimentación fue propuesto por Olson y May

en el año 1953. En este sistema se utiliza un micrófono como sensor de error

para detectar el ruido indeseado. La señal del sensor de error es devuelta a

través de un amplificador (filtro electrónico) con una respuesta de magnitud y

fase diseñadas para producir la cancelación en el sensor, por medio de un

altavoz colocado cerca del micrófono. Esta configuración proporciona

únicamente una atenuación limitada para señales de ruido periódicas o con

banda de frecuencia limitada , en un rango de frecuencias restringido. También

puede sufrir de inestabilidad, debido a la Naturaleza predecible de las señales

de banda estrecha.

Ilustración 7 FEEDBACK 2

Una aplicación del sistema ANC con retroalimentación implementada por Olson

es controlar el campo acústico en audífonos y protectores de oído. En esta

aplicación, el sistema reduce las fluctuaciones de presión en la cavidad cerca del

oído del usuario. Esta aplicación ha sido desarrollada y está disponible de

manera comercial.

35

2.2.2. FILTROS ADAPTATIVOS LMS El algoritmo LMS pertenece a la familia de los algoritmos de gradiente

estocástico. Con el término "estocástico" se pretende distinguir este algoritmo

del Steepest Descent, que utiliza un gradiente determinista para el cálculo de los

coeficientes del filtro.

Una característica importante del LMS es su simplicidad. No requiere medidas

de las funciones de correlación, ni tampoco inversión de la matriz de auto

correlación.

El LMS comprende dos procesos básicos:

• Un proceso de filtrado, que implica el cálculo de la salida generada por un

filtro transversal, y la generación de una estimación del error comparando

esta salida con la respuesta deseada.

• Un proceso adaptativo, que realiza el ajuste automático de los

coeficientes del filtro de acuerdo con la estimación del error.

Si fuera posible obtener medidas exactas del vector gradiente en cada

iteración n, y dispusiéramos del parámetro adecuadamente elegido, el vector de

pesos del filtro convergería a la solución óptima de Wiener. Pero en la realidad

no disponemos de estas medidas exactas del vector gradiente, ya que no

conocemos la matriz de auto correlación de la señal de entrada al filtro ni el

vector de correlación cruzada entre esta señal de entrada al filtro y la respuesta

deseada. Por tanto, el vector gradiente ha de ser estimado a partir de los datos.

36

2.2.3. DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR)

DSP es el acrónimo de Digital Signal Processor, que significa Procesador Digital

de Señal, un nombre bastante descriptivo, pues su función no es otra sino recibir

una señal como entrada, hacer unas operaciones sobre esa señal y sacar a su

salida una nueva señal.

Un DSP es un sistema basado en un procesador o microprocesador que posee

un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para

aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad.

Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de

señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma

(tiempo real) se reciben samples (muestras), normalmente provenientes de un

conversor analógico/digital (ADC), el sistema debe hacer todas las operaciones

con el sample recibido antes de que llegue el siguiente.

Se ha dicho que puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistema

digital, por lo tanto necesitará unos conversores analógicos/digitales a sus

entradas y salidas.

Como todo sistema basado en procesador programable necesitará una memoria

donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa que ejecutará.

Si se combina que un DSP puede trabajar con varios datos en paralelo y un

diseño e instrucciones específicas para el procesado digital, se puede dar una

idea de su enorme potencia para este tipo de aplicaciones. Estas características

constituyen la principal diferencia de un DSP y otros tipos de procesadores.

Para adentrar en su funcionamiento se pondrá el ejemplo de un filtro: el DSP

recibirá valores digitales o samples procedentes de la señal de entrada, calcula

37

qué salida se obtendrá para esos valores con el filtro que se le ha programado y

saca esa salida.

Un posible sistema basado en un DSP puede ser el siguiente:

Ilustración 8 DSP

2.2.4. INTERFERENCIA DESTRUCTIVA.

En las telecomunicaciones y áreas afines, la interferencia es cualquier proceso

que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el canal

existente entre el emisor y el receptor.

Cuando en mecánica ondulatoria se habla de interferencia destructiva se hace

referencia a una superposición de dos o más ondas de frecuencia idéntica o

similar que, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de menor intensidad

(amplitud) que cualquiera de las componentes.

Esto se debe a que las ondas que se han interferido estaban en distinta fase.

En las telecomunicaciones y áreas afines, la interferencia es cualquier proceso

que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el canal

existente entre el emisor y el receptor

38

Ilustración 9 INTERFERENCIA DESTRUCTIVA .

2.2.5. SUPERPOSICIÓN DE ONDAS

En la mecánica ondulatoria la interferencia es lo que resulta de la superposición

de dos o más ondas, resultando en la creación de un nuevo patrón de ondas.

Aunque la acepción más usual para interferencia se refiere a la superposición de

dos o más ondas de frecuencia idéntica o similar.

El principio de superposición de ondas establece que la magnitud del

desplazamiento ondulatorio en cualquier punto del medio es igual a la suma de

los desplazamientos en ese mismo punto de todas las ondas presentes.

Si la cresta de una onda se produce en el punto de interés mientras la cresta de

otra onda también arriba a ese punto (es decir, si ambas ondas están en fase),

ambas ondas se interferirán constructivamente, resultando en una onda de

mayor amplitud.

39

Si por el contrario, las ondas están desfasadas (es decir, la cresta de una onda

encuentra un valle de otra en un mismo punto), ambas ondas se interferirán

destructivamente, resultando en una onda de menor intensidad que cualquiera

de las componentes.

Ilustración 10 SUPERPOSICION DE ONDAS

40

3. METODOLOGIA

3.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACION El enfoque que se piensa utilizar para el desarrollo de este proyecto es un

enfoque empírico-analítico por tratarse de una investigación plenamente teórica

e investigativa que tiene como fin probar una tecnología existente pero nunca

desarrollada en nuestro país.

3.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA LINEA DE INVESTIGACION

Para el desarrollo de este proyecto de grado, se define el campo temático del

programa e ingeniería de sonido denominado “CAMPO DE DISENO DE

SISTEMAS DE SONIDO” por ser el campo que mas implica el diseño de

sistemas aislantes por medio de la implementación de señales digitales y el

control de ruido. A demás es una investigación que trata de implementar un

sistema de sonido que satisfaga el mercado nacional y que a la vez logre

mejorar l calidad de vida de los colombianos. Por otra parte, se decidió trabara

bajo la sub-línea de investigación de la facultad denominada

“PROCESAMIENTO DE SEÑALES” por ser el campo al que mas se acopla el

proyecto debido a que se implementara el tratamiento digital de señales para

lograr trabajar en tiempo real. Por ultimo, la línea de investigación de la

universidad de san buenaventura que se escogió es la denominada

“TECNOLOGÍAS ACTUALES Y SOCIEDAD” por ser un problema que afecta

claramente la salud física y mental de la población colombiana y que por medio

de la implementación de este proyecto,

41

se pretende mejorar notablemente la calidad de vida de los colombianos por

medio de la insonorización de los vehículos que en términos generales, es uno

de los recintos en los que pasamos la mayoría de el tiempo

3.3. HIPOTESIS.

Mediante el desarrollo de este proyecto, se pretende demostrar que para el

tratamiento de la señal de baja frecuencia, es necesario la implementación de

un sistema de control activo de ruido debido que por medio del control de ruido

por aislamiento por masa o pasivos no se logran grandes resultados; y como el

ruido que se intenta tratar del motor de los automotores es de componentes

principalmente en baja frecuencia, es indispensable trabajar con un método

diferente al anteriormente nombrado.

3.4. VARIABLES

3.4.1. VARIABLES INDEPENDIENTES.

• Ruido de baja Frecuencia producido por el motor del carro

• El procesamiento digital de señales.

• El tipo de micrófono y de el parlante

3.4.2. Variables dependientes

• Problemas fisiológicos secundarios que se generan por exceso de

exposición al ruido de baja frecuencia.

• El número de canales a trabajar se vera limitado por la implementación

del DSP

• El tipo de filtrado a utilizar.

• La respuesta en frecuencia del sistema CAR.

• Falta de cámara anecoica para realizar las mediciones.

42

4. DESARROLLO INGENIERIL

4.1. Mediciones de nivel de presión sonora antes de la implementación del sistema CAR.

4.1.1. Primera medición. (Medición del ruido del motor en el exterior

del carro)

La primera medición que se tomo se hizo con el único fin de saber cual era la

componente espectral del ruido producido por el motor del vehículo y su nivel de

ruido equivalente en condiciones normales de funcionamiento (Ralenti) en la

parte exterior del mismo. A continuación se muestran cuales fueron las

condiciones de medición y los resultados obtenidos.

4.1.1.1. Condiciones.

Header information:

--------------------------------------------

Device type ................. SVAN 943A

Serial No. .................. 5168

Internal software version ... 5.11

File system version ......... 5.11

--------------------------------------------

Original file name .......... @LUCASPA

Associated buffer name ...... Buffer_1

Measurement hour ............ 13:44'46

Measurement day ............. 08/05/15

Device function ............. OCTAVE 1/3

--------------------------------------------

Title text:

IGL

43

--------------------------------------------

Input ....................... Microphone

Mic. polarization ........... 0 V

Measurement range ........... 130 dB

Leq integration ............. Linear

Trig. mode .................. Off

Start delay ................. 15 s

Integration time def. ....... 15 m

Repetition cycle ............ 1

Octave 1/3 lines ............ 30+3

Octave 1/3 filter ........... Lin

Octave 1/3 in buffer ........ ON

Number of histograms ........ 3+33

Calibration type ............ UNDEFINED

Rotation measurement ........ OFF

--------------------------------------------------------------------

Profile: #1 #2 #3

--------------------------------------------------------------------

Weighting filter ............ Lin A C

Detector type ............... Slow Fast Slow

Buffer contents definition .. RMS RMS RMS

Calibration factor .......... -0.1 dB -0.1 dB -0.1 dB

--------------------------------------------------------------------

44

4.1.1.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente Leq.

Ilustración 11 MEDICION Leq EXTERIOR MOTOR ON

45

4.1.1.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia por bandas de tercio de octava con el motor encendido

Ilustración 12 ESPECTRO Leq EXTERIOR

Ilustración 13 GRAFICO Leq EXTERIOR

Una vez terminada la primera medición, se vio claramente el problema de baja

frecuenta que se presenta en los motores de los carros particularmente en este,

46

donde se ve un pico considerable en la banda de los 31 Hz y su primer armónico

63Hz. Lo que dice que esta son las frecuencias fundamentales del ruido

periódico del motor en ralenti.

4.1.2. Segunda medición. (Medición de ruido del motor al interior del carro)

Para la segunda medición, se tomo en cuenta el nivel de ruido equivalente por

tercios de octava en el interior del vehículo en la posición del conductor a la

altura de la cabeza del mismo, medición que arrojo una idea clara del problema

que se presenta de baja frecuencia al interior del habitáculo del conductor y

pasajeros. A continuación se muestran cuales fueron las condiciones de

medición y los resultados obtenidos.

4.1.2.1. Medición uno (interior motor apagado)

4.1.2.1.1. Condiciones. Header information:

--------------------------------------------


Serial No. .................. 5168



--------------------------------------------

Original file name .......... @LUCASPA



Measurement day ............. 08/05/16


--------------------------------------------

47

Title text:

IGL

--------------------------------------------





Trig. mode .................. Off

Start delay ................. 15 s



Octave 1/3 lines ............ 30+3




Calibration type ............ Sensitivity

Calibration time ............ 17:23'50

Calibration date ............ 08/05/15


--------------------------------------------------------------------

Profile: #1 #2 #3

--------------------------------------------------------------------

Weighting filter ............ A C Lin




48

4.1.2.1.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente LAeq. Motor apagado

Ilustración 14 MEDICION Leq INTERIOR MOTOR OFF

49

4.1.2.1.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia por bandas de tercio de octava con el motor apagado.

Ilustración 15 ESPECTRO Leq INTERIOR OFF

4.1.2.2. Medición dos (interior motor encendido)

4.1.2.2.1. Condiciones

Header information:

--------------------------------------------


50

Serial No. .................. 5168



--------------------------------------------

Original file name .......... @LUCASP_



Measurement day ............. 08/05/16


--------------------------------------------

Title text

IGL

--------------------------------------------





Trig. mode .................. Off

Start delay ................. 15 s



Octave 1/3 lines ............ 30+3




Calibration type ............ Sensitivity

Calibration time ............ 17:23'50

Calibration date ............ 08/05/15


--------------------------------------------------------------------

Profile: #1 #2 #3

--------------------------------------------------------------------

Weighting filter ............ A C Lin

51




-------------------------------------------------------------------- 4.1.2.2.2. Resultados obtenidos de nivel de ruido equivalente

LAeq. Motor encendido

Ilustración 16 MEDICION Leq INTERIOR MOTOR ON

52

4.1.2.2.3. Resultados obtenidos en el espectro en frecuencia por bandas de tercio de octava con el motor apagado.

Ilustración 17 ESPECTRO Leq INTERIOR ON

4.1.2.3. Comparaciones.

4.1.2.3.1. Interior motor apagado

Fc 25 31 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315

dB 46,2 45,3 45,3 40,7 42 36,4 36 33,9 30,6 28,5 26,5 29,5

Fc 400 500 630 800 1000

TOT.

A

TOT

C

TOT

LIN

dB 26,7 25 26,5 25,3 26,5 34,7 51.5 57,2

53

4.1.2.3.2. Interior motor encendido

Fc 25 31 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315

dB 81,5 88 63 63,7 68,7 55,9 52,7 50,6 53,8 45,8 45,8 41,1

Fc 400 500 630 800 1000

TOT.

A

TOT

C

TOT

LIN

dB 37,9 34 34,7 34,9 36,4 50,5 85,5 89,4

4.1.2.3.3. Grafica comparativa.

grafico comparativo

0

20

40

60

80

100

25 40 63 100

160

250

400

630

1000

TOT C

Fc

dB

motor apagado motor encendido

Ilustración 18 COMPARACION CAR ON -OFF

54

Ilustración 19 GRAFICO MEDICION Leq INTERIOR

Una vez terminada esta medición, se pudo ver de manera mucho mas clara el

problema de baja frecuencia existente en el interior del vehículo donde vemos un

valor problemático en los 31 Hz de 88 decibeles, lo que según los capítulos

anteriores y sumándole largos tiempos de exposición, generara molestias ya

nombradas.

4.1.3. Tercera medición. (Simulación de control activo de ruido) En este caso, se hizo una “simulación de control activo de ruido” en el interior del

vehículo, en la que esperábamos encontrar los puntos de máxima cancelación

sonora en la posición del acompañante del conductor para lo cual usamos un

parlante reproductor de baja frecuencia en el interior del motor del vehículo,

haciendo como fuente primaria y reproduciendo una de las frecuencia que

presento problema en la medición anterior (80Hz); como punto de referencia, un

micrófono a la altura de la cabeza del oyente y haciendo variaciones de la

posición de la fuente secundaria dentro del interior del vehículo buscamos a

55

manera prueba y error, el punto de mayor cancelación sonora. A continuación

veremos detallado paso por paso los puntos de medición:

• Calibración del sistema

• Medición de nivel de presión sonora en los 80 Hz con la fuente primaria

en funcionamiento.

• Medición de nivel de presión sonora en los 80 Hz con la fuente

secundaria en funcionamiento e invertida 180 grados en distintos puntos

del vehículo.

• Una vez hallado el punto de mayor cancelación, se empezó a hacer

variaciones de potencia eléctrica a la fuente secundaria para ver cual es

la potencia máxima que alcanza esta en su punto de cancelación más

alto; alcanzando los 10dB aproximadamente de cancelación con la fuente

secundaria ubicada en el baúl del vehículo.

A continuación veremos los datos obtenidos en la medición de Laeq con la

fuente primaria en funcionamiento.

4.1.3.1. Condiciones de medición

RPM 0 Rpm

Temperatura ambiente 20º

Equipo de medición Micrófono Behringer esm8000

Interfase de audio m-audio Movil Pre

Laptop hp zv6000

Software utilizado Sia Smartt Live v.5

Ponderación a

Tipo de medición LAeq

Tiempo de calculo 15 min.

Banda de octava 80Hz

Calibración 1Khz @ 94dB

Posición posición de oyente en el

vehículo

56

4.1.3.2. Valores de LAeq obtenidos con la fuente primaria en funcionamiento con una entraba de 28 voltios y generando 80 hz en fase de 0 grados

Laeq @ 80Hz

A Weight

Date Time star time stop LAEQ LAMin LAMax

03/11/2007 14:15:34 14:30:40 39.5 38.8 40.2

Ilustración 20 Medición Leq simulación sin CAR

Ilustración 21 Smaart Live Sin CAR

57

4.1.3.3. Valores de LAeq obtenidos con la fuente primaria en funcionamiento con una entraba de 28 voltios y generando 80 hz en fase 0; y la fuente secundaria en funcionamiento con 2,1 voltios de entrada, generando 80Hz en contra fase de 180 grados.

Laeq @ 80Hz

A Weight

Date Time star time stop LAEQ LAMin LAMax

03/11/2007 14:40:04 14:55:20 30.7 29.4 31.4 Ilustración 22 medicion Leq simulacion con CAR

Ilustración 23 Smaart Live Con CAR

58

Ilustración 24GRAFICO SIMULACION CAR

Ilustración 25 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMULACION CAR

Con esta medición, logramos ver los beneficios del control activo de ruido bien

aplicado, ya que logrando una atenuación de casi 10 decibeles al interior del

carro, con una simple prueba, sabemos que es posible llegar a los 15 decibeles

con una implementación clara del sistema.

59

4.2. Diseño del algoritmo para el sistema CAR con el DSP TMS320C6713

Para la parte de programación del DSP, se utilizo como herramienta de diseño,

el Simulink, que es un paquete de Software que se ejecuta acompañando a

MATLAB para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos.

Este software puede simular cualquier sistema que pueda ser definido por

ecuaciones diferenciales continuas y ecuaciones diferenciales discretas. Esto

significa que se puede modelar sistemas continuos en el tiempo, discretos en el

tiempo o sistemas híbridos.

Para nuestro caso, fue necesario implementar un sistema de filtrado en

frecuencia con un Low Pass Filter centrado en los 500 Hz acompañado de un

inversor de fase y un analizador de espectro antes y después del inverso

4.2.1. Filtro.

El filtro es un pasa bajo digital FIR de orden 6, frecuencia de sampleo de 44100

Hz, frecuencia de paso 200 Hz y frecuencia de parada de 250 Hz. A

continuación veremos los parámetros del bloque de filtrado.

60

Ilustración 26 FILTRO DSP

4.2.2. Modelo.

El modelo del DSP se desarrollo con el software SIMULINK. Para este caso

especifico, se necesito un bloque de filtrado, un inversor de fase una entrada y

una salida de señal y un filtro adaptativo LMS. A continuación, se ve claramente

cuál es el diagrama e flujo dentro del DSP.

61

Ilustración 27 MODELO FINAL DSP

4.3. Simulaciones algoritmo

4.3.1. Simulación del algoritmo en Matlab (tono puro) Para la parte de simulación del algoritmo del sistema de control activo que se va

a implementar en el vehículo, se hizo el diseño del mismo en simulink. Se le

introdujo una señal senosoidal a la entrada de este y un osciloscopio digital a la

62

salida del filtro adaptativo LMS que mostrara la forma de onda antes del LMS,

después del inversor de fase, después del LMS y la señal de error del sistema.

Ilustración 28 SIMULACION 1 (TONO PURO)

Los resultados vistos en el osciloscopio son los siguientes para una señal de 100

Hz, donde se ve claramente que todas las partes del algoritmo están

funcionando perfectamente (inversor, filtro, LMS, etc) el orden de imágenes es el

siguiente.

Osciloscopio 1…….señal de entrada

Osciloscopio 2…….señal vista después del inversor

Osciloscopio 3…….señal a la salida del LMS

Osciloscopio 3…….señal vista a la salida del LMS (señal de error)

63

Ilustración 29 OSCILOSCOPIO SIMULACION 1

4.3.2. Simulación del algoritmo en matlab (ruido interno del automóvil)

En este punto, se tomo una muestra del ruido existente en el interior del carro

en ralenti. Que dio como resultado una señal de audio en formato WAV. Que se

introduce al algoritmo y se le hace el procesamiento total del sistema de control

activo con lo que se logra ver el funcionamiento del algoritmo con señales

periódicas y variantes tanto en frecuencia como en tiempo. A continuación

veremos el algoritmo necesario para hacerlo y los plots de los osciloscopios que

64

nos muestran la señal de entrada, la señal a la salida del filtro lms y la señal de

error que para este caso es el resultado de todo el procesamiento digital de la

señal.

4.3.2.1. Algoritmo.

Ilustración 30 SIMULACION 2 (RUIDO INTERNO)

65

4.3.2.2. Señal de entrada

ILUSTRACIÓN 31 SEÑAL DE ENTRADA SIMULACIÓN 2

66

4.3.2.3. Señal vista a la salida del filtro LMS

Ilustración 32 SEÑAL DE SALIDO SIMULACION 2

67

4.3.2.4. Señal de error

Ilustración 33 SEÑAL DE ERROR SIMULACION 2

En estas graficas, se puede ver claramente, que tanto el inversor como el filtro

adaptativo LMS funcionan perfectamente, en la ultima grafica que vemos la

señal de error con una amplitud menor a las anteriores, quiere decir que el

sistema de control activo de ruido esta atenuando la señal de entrada con

respecto a la señal deseada.

68

4.4. pruebas de laboratorio

4.4.1. Pruebas de desfase entre dispositivo

En este punto la idea principal es saber si alguno de los dispositivos que se van

a utilizar en el sistema de control tienen algún retardo de señal en algún punto.

Medición sumamente importante a la hora de hacer el cálculo del retardo de

señal que se va a utilizar en el algoritmo dado el caso de necesitarlo. Si en

alguno de los dispositivos llegase a encontrarse un problema de retardo este

deberá ser compensado en la programación del DSP.

4.4.1.1. Equipamiento necesario:

• generador de señales

• osciloscopio

• multímetro

• tarjeta DSP

• computador laptop

• consola

• cables

• sondas

4.4.1.2. Procedimiento

Generando un tono puro de frecuencia no superior a los 125Hz, que se logra

identificar plenamente en el osciloscopio Ch1. este mismo tono puro es inducido

a la consola por el canal en el que va a estar el micrófono de captura de señal

en el vehículo. Y en el Ch2 del osciloscopio vamos a ver el mismo tono puro

después de la salida de la consola. Esta prueba permitió ver claramente que la

consola no tiene problemas de fase entre la entrada y la salida de la misma.

69

Este mismo procedimiento se utilizo para ver si la tarjeta DSP tenía el problema

de desfase anteriormente nombrado. Un tono puro de menos de 125Hz es visto

e el Ch1 el osciloscopio y luego introducido a la tarjeta DSP con toda la

programación del algoritmo de control activo funcionando y vista su salida en el

segundo canal del osciloscopio concluyendo que tampoco tiene problemas de

fase.

Por ultimo se realizo la misma prueba pero con todo el sistema conectado así: el

tono puro al Ch 1 del osciloscopio y a la vez a la entrada de la consola, de la

salida de la consola a la entrada del DSP, de la salida del DSP a la entrada CH2

de la consola y de la salida de la consola al Ch 2 del osciloscopio viendo

claramente que el sistema no retrasa lo que permite concluir que no hay que

usar delay en el algoritmo.

Ilustración 34 DIAGRAMA BLOQUS PRUEBAS DE LABORATORIO

70

5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

5.1. PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN.

Para realizar la medición inicialmente se busco un lugar donde el ruido externo

fuera lo más bajo posible y que la influencia de las reflexiones tempranas fuera

mínima, esto debido a la falta de una cámara anecoica que teóricamente es la

forma adecuada de realizar esta medición. Una vez encontrado el lugar mas

adecuado, se tomo una muestra del nivel de presión sonora generado por el

motor del vehículo en ralenti (funcionamiento normal del motor con este

encendido y sin aceleración alguna) con el fin de especificar cuales son los

grupos de frecuencia mas presentes en el ruido del motor. En segundo lugar se

hizo esta misma serie de mediciones pero esta vez al interior de la cabina del

vehículo para saber cual era el ruido de piso (motor apagado) del interior de este

y el componente espectral del ruido del motor con este encendido. En este ítem

se logro ver cual es la diferencia en nivel de presión sonora del motor entre el

exterior y el interior del mismo. Ver capitulo 4

5.1.1. Determinación de los tiempos de retraso de señal.

Para calcular los tiempos de retraso de señal existentes al interior del vehículo,

se utilizo como herramienta el software SIA SMAART LIVE versión 5.4, un

micrófono de medición BEHRINGER ECM 8000 y una interfase de audio M-

AUDIO MOBIL PRE. Se implemento un decámetro para la verificación de estos

datos. Este software genera una señal de ruido rosa como referencia que es

realimentada por el canal dos de la interfase y la compara con la señal que es

tomada por el micrófono en la posición de oyente, calculando así el tiempo de

retraso entre el motor y la posición de oyente.

71

Este procedimiento se repitió entre la fuente secundaria y la misma posición de

oyente para tener como dato este tiempo y para finalizar se tomo el tiempo entre

el motor y la fuente secundaria.

5.2. Diseño Del Sistema De Control Activo FEEDBACK.

Para el diseño de el sistema de control activo de ruido automotor, lo primero que

se debió hacer fue escoger un vehículo que estuviera a entera disposición para

la realización de todo el proceso de mediciones que se llevaron a cabo y e

tiempo que incurrió el proceso de implementación del CAR. Para este caso

específico, se escogió un Volskwaguen Gol modelo 1996 motor 1800 cc. Por

simple disponibilidad;

A demás por ser un vehículo familiar que presenta fuertes problemas de ruido al

interior del mismo.

5.2.1. Programaciones Del DSP.

En este punto, se explicara cual fue el proceso de programación del DSP

TMS3201675 de Texas Instrument para la cual fue necesaria la implementación

de el software MATLAB y su subdivisión SIMULINK por ser una herramienta muy

versátil en el proceso de programación de esta tarjeta y que a la vez facilita

mucho la programación del algoritmo por el fácil acceso a los bloque que se

necesitan en el programa y a la vez el fácil desarrollo de cada uno de estos.

A continuación se muestra cada bloque del programa con su respectiva

explicación

72

Ilustración 35 DSP FINAL

• CONVERSOR ANALOGO DIGITAL: este es el bloque que se encarga de

decirle a la tarjeta DSP cual es la entrada de audio análoga que se va a

utilizar. Para este caso es la entrada line in. Que fue configurada de la

siguiente manera: se introduce una señal monofónica con una frecuencia

de sampleo de 44.1 Khz. y 16 bits.

• FILTRO: para este caso, se utilizo un bloque de filtrado digital FIR de

orden 6, frecuencia de sampleo 44.1 Khz., frecuencia de paso 200 Hz y

frecuencia de parada 250 Hz.

• INVERSOR DE FASE: en bloque encargado de hacer la inversión de fase

de la señal de entrada es un simple amplificador de señal con ganancia

negativa (-1)

• FILTRO LMS: este es el encargado de recibir la señal de entrada, a señal

deseada, y hacer su filtrado adaptativo para tener a la salida la señal

73

deseada y la señal de error que es la diferencia entre la señal de entrada

y la deseada.

• CONVERSOR DIGITAL ANALOGO: este es el bloque encargado de

convertir la señal ya tratada en señal de audio análoga que va a ser

reproducida por la etapa de potencia. Tiene una frecuencia de sampleo

de 44.1Khz y 16 bits

• RESET: como su nombre lo dice, es el encargado de volver los

parámetros de la tarjeta a su estado inicial.

• C6713DSK: ste es el blockset que le dice al programa que tipo de tarjeta

DSP estamos utilizando.

5.2.2. Fuente secundaria.

En el caso de la fuente secundaria, se escogió un transductor de baja frecuencia

de marca Pioneer TS-W841D por presentar una excelente respuesta en baja

frecuencia este se ubico en la parte posterior del carro (en el baúl)

Ilustración 36 POSICION FUENTE SECUNDARIA

Debido a que el ruido generado por el motor del automóvil tiene mayor energía

en bajas frecuencias, se seleccionó un transductor que cumpliera ciertas

características con el fin de asegurar su eficacia.

74

A continuación se pueden apreciar las especificaciones mecánicas y eléctricas

del transductor

Una vez escogido el transductor secundario, se debió tomar un diseño de caja

para el altavoz, que al acoplarla al sistema fuera lo mas plana en respuesta en

frecuencia, para así no crear resonancias innecesarias dentro del habitáculo del

automóvil. El tipo de caja es de tipo sellada, con un volumen de 17 litros

internos:

Ilustración 37 CAJON DEL ALTAVOZ

La respuesta en frecuencia del sistema completo, según el fabricante, para este

volumen de aire utilizado corresponde con el de la siguiente gráfica:

Ilustración 38 RESPUESTA EN FRECUENCIA ALTAVOZ

75

5.2.3. Sistemas De Captura De Señal.

Para el caso de la captura de señal, se hizo la implementación del sistema de

control con un micrófono de medición BEHRINGER ECM-8000 que cuenta con

una respuesta en frecuencia plana, patrón omnidireccional y una buena

sensibilidad, se ubico en la parte exterior del vehículo en la posición de motor. A

1.2 metros de el centro de la cavidad del motor del carro.

Dadas las características físicas del micrófono, la medición fue necesaria

hacerla con el capo abierto (ver grafica)

Ilustración 39 GRAFICO DE MEDICION

Para dejar claro el porque fue escogido este sistema de captura de señal, se

adjuntan las graficas de respuesta en frecuencia y patrón polar del micrófono

76

Ilustración 40 RESPUESTA EN FRECUENCIA MICROFONO

Ilustración 41DIAGRAMA POLAR M ICROFONO

5.2.4. Sistemas De Medición y RTA

Con el fin de ver de manera mas grafica como es el comportamiento del control

activo durante la implementación de este, se utilizo un sistema de mediciones

acústicas basado en el software SIA SMAART LIVE vr. 5.4 Lo que permitió ver

77

en tiempo real el comportamiento del sistema de control durante todo el proceso

de implementación.

Para la parte de toma de mediciones acústicas al exterior e interior del vehículo,

se utilizo el sonómetro svantek 943A

• Calibración del SIA SMAART LIVE

El sistema es calibrado mediante el uso de un pistófono que se introduce en la

cápsula del micrófono, este genera un tono puro de 1000 Hz a 94dB.

Ilustración 42 CALIBRACION DEL SMAART LIVE

5.2.5. Consola o Preamp. Para la parte de preamplificación, se utilizo la consola BEHRINGER

EURORACK MX602A por ser de fácil acceso y transporte, a demás de cumplir

totalmente con las necesidades del sistema

• 2 canales de entrada mínimo

• Phantom power

• Gain control por canal

78

• Paneo por canal

• 2 salidas independientes

Al utilizar un micrófono de condensador fue indispensable introducirle un voltaje

de alimentación de +48V que los proporciona la consola.

Con el fin de saber cual es el nivel de entrada del micrófono se utilizo un

osciloscopio con que se vio que era necesario hacer una preamplificación para

llegar a los 0.8 voltios necesarios de señal de entrada a la tarjeta DSP. Que se

logra mediante el gain control de cada canal.

El micrófono entra al canal uno del la consola, se le da el nivel de

preamplificación necesario y se panea totalmente a la salida L de la consola con

lo que se logra tener la señal de ese micrófono en un canal de salida

independiente que luego se enruta a la tarjeta DSP por la entrada de línea.

La salida de la tarjeta fue enruta al canal dos de la consola para así tener

también control de preamplificación de esa señal, y fue paneada a la salida R de

la consola con lo que se obtuvo control independiente de la señal del micrófono

de captura. Esta salida a su vez esta conectada a la etapa de potencia y esta al

altavoz.

79

5.2.6. Diagrama De Flujo De Todo El Sistema De Control Activo De Ruido FEEDBACK.

Ilustración 43 DIAGRAMA DE FLUJO FINAL CAR

80

Ilustración 44 GRAFICO CAR FINAL

5.3. Resultados Arrojados Por La Medición Con El Sistema CAR En Funcionamiento

Con el fin de implementar el sistema de CAR. Dentro del habitáculo del

automóvil, es preciso realizar las mediciones a la altura de oyente, para

aproximar los datos a la realidad.

La primera medición fue tomada en la zona de cancelación que para este caso

es la zona más próxima a los oídos del conductor. Se hizo una medición de ruido

equivalente en una octava para ver cual es el comportamiento en baja

frecuencia. Se tomaron 4 muestras y se hizo un análisis estadístico de todos los

datos para llegar a algo lo mas confiable posible.

Otro factor importante a la hora de ubicar la fuente secundaria, es que ésta no

debe ser incomoda para los pasajeros y ya que para poder obtener alguna

eficacia en la cancelación de frecuencias bajas,

81

El altoparlante de baja frecuencia “subwoofer” tiene un volumen considerable, se

instaló en el portaequipajes

Una vez encendido el motor del automóvil se procedió con la medición de Leq

durante un periodo de 15 minutos, con el fin de obtener datos para su posterior

comparación frente al sistema CAR.

La medición se realizó con todas las puertas y ventanas cerradas, para así evitar

ruidos externos que pudiesen afectarla, principalmente reflexiones del motor en

el suelo y viento.

Luego de obtener datos iniciales, se procedió a encender el sistema CAR. Y se

realizo una comparación instantánea en el SIA SMAART®, mientras se variaba

la potencia de salida del amplificador y verificando este valor en voltaje con un

voltímetro de referencia, para así obtener valores numéricos reales.

A continuación, se muestra las tablas de los datos obtenidos antes y después de

la implementación del sistema

NIVEL DE RUIDO EQUIVALENTA ANTES DE ENCENDER EL SISTEMA CAR.

Frecuencia (Hz.) 31 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 TOT. A TOT C TOT LIN

Nivel (dB) 93,6 73 63,8 56 42,3 40,3 34,8 33 30,8 32,3 54,3 91,1 95,9

82

Leq motor on

0

20

40

60

80

100

120

31 63 125

250

500

1000

2000

4000

8000

1600

0

TOT.

A

TOT

C

TOT

LIN

Fc

dB Leq motor on

Ilustración 45 Leq MOTOR ON

NIVEL DE RUIDO EQUIVALENTE DESPUES DE ENCENDER EL SISTEMA CAR.

Frecuencia (Hz.) 31 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 TOT. A TOT C

Nivel (dB) 87,8 75,7 57,9 52 46,4 46 40,7 36,9 31,1 33,3 53,8 85,3

83

CAR ON

0102030405060708090

100

31 63 125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

TOT.

ATO

T C

TOT L

IN

fC

dB CAR ON

Ilustración 46 CAR ON

DIFERENCIAS

Frecuencia (Fc.) 31 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 TOT. A TOT C TOT LIN

Nivel (dB) -5,8 2,7 -5,9 -4 4,1 5,7 5,9 3,9 0,3 1 -0,5 -5,8 -6,9

84

grafico comparativo

0

20

40

60

80

100

120

31 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 TOT. A TOT C TOTLIN

Fc

dB

CAR ON INT MOTOR ON

Ilustración 47 GRAFICA COMPARATIVA CAR ON - OFF

5.4. Análisis De Resultados.

En primera medida se logra ver que si hay una disminución de nivel de presión

sonora en bajas frecuencias, pero también se ve que hay otras en las que en

vez de atenuar, amplifica, esto se debe a las diferentes longitudes de onda de

las distintas frecuencias, muchas de estas en el momento en que por ejemplo

31Hz que atenúa casi 6 dB que en teoría seria el triple de la presión sonora, 63

Hz que es su primer armónico amplifica 2,7 dB que seria el doble de la presión,

esto nos da a entender que el sistema FEEDBACK no es el mas adecuado para

la implementación de control activo de ruido en grandes recintos, si se hubiera

85

implementado un sistema FEED-FORWARD, el micrófono de error tendría que

haber notado eso y hacer que el filtro adaptativo corrigiera ese error.

En el caso de las frecuencias bajas, que son el principal componente del ruido

del motor al interior de este, y que presenta valores de nivel de presión sonora

extremadamente altos; si se logra ver una disminución considerable de nivel

principalmente en 31, 125 y 250 Hz en los que se llega a ganar una atenuación

de alrededor de 3 dB por banda y que físicamente es logrando una atenuación

del doble de la presión sonora.

Después de realizadas todas las mediciones, se logro determinar que la

frecuencia que presenta el mayor nivel de presión sonora al interior del vehículo,

es la banda de 31 Hz. Esta llega a tener valores de alrededor de los 93 dB, y

que una vez implementado el sistema de control activo, se logra llegar a una

atenuación de 5.8dB. Logrando así disminuir esta frecuencia problema, en casi

el 50% de su energía sonora total.

Dado que las zonas de atenuación son de un valor cercano a una décima parte

de la longitud de onda, sabemos que en la frecuencia que se logro mayor

atenuación, fue en 20 Hz, y esta cuenta con una longitud de onda de 17.2 Mts

lo que nos da un valor de zona de cancelación de 1.7 Mts. Esto concuerda con

el total del ancho del vehículo, por lo que sabemos que esa frecuencia fue

atenuada en una gran parte de su nivel y en la totalidad de la cabina del

conductor del vehículo.

86

5.5. Errores Sistemáticos.

• Debido a la falta de una cámara anecoica en la que se pudieran hacer las

mediciones sin la influencia de ruidos externos, se debieron hacer en un

lugar abierto en el que el ruido externo fuera mínimo, así como también

las reflexiones tempranas de paredes y superficies cercanas al vehículo.

Esto llevo a que las mediciones no fueran muy exactas por la influencia

de ruidos externos que son imposibles de evitar por mas lejano que sea el

lugar de medición. Teórica y normativamente, este tipo de mediciones

acústicas deben llevarse a cabo en cámaras anecoicas con el menor

ruido de piso posible

• La imposibilidad de mantener una temperatura estable del motor del

carro, hizo que en cada medición de nivel de ruido equivalente que se

tomo por intervalos de tiempo de 15 minutos cada una, se calculara

también el ruido del ventilador del carro que se prendía aproximadamente

cada 2 minutos. Aunque en este caso específico no es de mucha

importancia, debido a que el sistema FEEDBACK va a cancelar toda la

información que tenga de baja frecuencia en la zona e captura de señal

sea del motor, o del ventilador o de otras fuentes.

• Las mediciones de nivel de ruido equivalente con el sistema de control

activo en funcionamiento, también se vieron afectadas por la influencia

del motor del ventilador del carro.

• Las respuestas en frecuencia de los transductores, tanto micrófono de

captura como altavoz, no son muy confiables por lo que se pudo ver

variaciones de nivel por banda.

87

6. CONCLUSIONES.

• La principal conclusión de este trabajo de grado es que el tratamiento

acústico de grandes recintos por medio de la implementación del control

activo de ruido y su técnica FEEDBACK, no es muy eficaz debido a la

falta de sensores de error.

• Los sistemas de control activo de ruido que trabajan bajo programación

FEEDBACK, son muy efectivos para pequeñas aplicaciones, como por

ejemplo, tratamiento de baja frecuencia en auriculares o pequeños

ductos. Más no en recintos de grandes dimensiones.

• El sistema de control activo de ruido es muy eficaz en baja frecuencia, lo

que lo hace un buen complemento para trabajar de la mano de un

sistema de aislamiento pasivo en el caso dado de necesitar aislamiento

de un programa de frecuencias completo. Específicamente en

automóviles, es recomendable hacer uso de los dos tipos de tratamiento

acústico, implementando así un sistema de aislamiento por masa entre el

motor y el interior, y un sistema de control activo en la zona próxima a los

cabezales de los pasajeros.

• En vehículos automotores, el sistema de control activo de ruido es muy

eficaz en frecuencias no mayores a 80Hz, que representan la mayor

cantidad de energía sonora del espectro.

• Para realizar las mediciones de nivel de ruido automotor, es indispensable

la implementación de una cámara anecoica en la que pueda introducirse

el vehículo y pueda llevarse a cabo sin problemas de ruidos externos y las

reflexiones tempranas dadas por paredes techo y piso.

88

• Dada la regla que dice que las zonas de cancelación son de valor

aproximado a la décima parte de la longitud de onda a cancelar, se

concluye que los valores de cancelación de alta frecuencia resultan

despreciables por sus pequeñas dimensiones.

• Todas la teorías de control activo de ruido están basadas en que los

sistemas en los que se van a aplicar son lineales e invariantes en el

tiempo, cosa que en este caso particular esta fuera de la realidad. Como

principal ejemplo de esto, se cita el hecho de no contar con una cámara

anecoica donde hacer las mediciones.

• Los sistemas FEED-FORWARD, hace la captura de la señal del motor del

carro por medio de un acelerómetro y un micrófono, haciendo entre ellos

una coherencia logrando así una señal de entrada al sistema muy real. A

su vez con los censores de error, capturan la zona de cancelación y los

problemas que esta tenga desde el tiempo = 0, hasta que el filtro

adaptativo realice los cambio necesario para obtener la mayor

cancelación posible, esto, con los sistemas FEEDBACK o mono canales

es imposible.

• Los sistemas de control activo de ruido implementado por métodos FEED-

FORWARD, suelen ser poco prácticos debido al número de actuadotes y

receptores necesarios en el habitáculo, lo que hace que esto pierda toda

comodidad para el pasajero. A demás los costos de unos transductores

que en realidad sean de respuesta totalmente plana y confiable a la hora

de implementar un sistema de control que trabaje de manera eficaz, seria

muy elevados, lo que saca el sistema de control de todo orden comercial.

A su vez, La implementación de un sistema de control activo de ruido

mediante este método FEED-FORWARD. Implica el uso de una tarjeta

DSP multicanal, con la que no se cuenta en la universidad y a su vez,

tiene unos costos muy elevados.

89

• los sistemas de control activo de ruido que son implementados en el

tratamiento de los ruidos producidos por los motores de los carros, y que

trabajan bajo funcionamiento Feedback, no suelen ser muy eficaces

debido a que no pueden trabajar frecuencias especificas que se ven no

atenuadas sino amplificadas por el comportamiento de sus longitudes de

onda en la teoría de superposición de ondas, en comparación con los

sistemas Feed-forward que por medio de la implementación de algoritmos

adaptativos y sus censores de error pueden resolver estos problemas de

manera más eficaz.

90

7. RECOMENDACIONES.

• Para el manejo del control activo de ruido, es indispensable el uso de las

cámaras anecóicas en el proceso de medición y toma de datos del

vehículo, tanto al interior como al exterior de este.

• Para lograr un desempeño mas optimo de el aislamiento por método de

control activo, es indispensable el uso de un sistema FEED-FORWARD

con el fin de lograr que el sistema sea capaz de analizar en que

frecuencias esta atenuando y en cuales no y así por medio del filtrado

adaptativo, llegar a hacer atenuación en todo el espectro de baja

frecuencia.

• Con el fin de llevar a obtener niveles de atenuación mayores, se

recomienda la implementación de varias zonas de cancelación en la

proximidades de los apoya cabezas de los pasajeros y conductor, lo que

implicaría un estudio mas detallado del espacio, para no cambiar las

dimensiones propias del carro y así, no molestar a los pasajeros.

• Es indispensable para obtener los mejores resultado de aislamiento, el

uso del sistema de control activo, acompañado de un sistema pasivo que

se encargue de los componentes armónicos del ruido del motor que están

después de la frecuencia de corte del filtro pasa bajo.

91

8. BIBLIOGRAFIA.

[1] Elliot S.J. and Nelson P.A., “Active noise control,” IEEE Signal

Processing Magazine, pp. 12-35, Octuber 1993.

[2] Hansen C.H., “Current Research in Active Control of Noise”,

International Sound and Vibration Digest, Nov 994.

[3] David H. Crawforda) and Robert W. Stewart “Adaptive IIR filtered-v

algorithms for active noise control” Jun. 1996.

[4] Bernardo Morcego.,” Comparación de Implementaciones en C y Matlab

de Filtros Adaptativos para DSP” Jun 1996.

[5] Enrique Masgrau, Alfonso Ortega, Pedro Ramos, Luis Vicente, Eduardo

Lleida., “tratamiento robusto del sonido en el interior de vehículos”. May 1997

[6] María Cuesta Ruiz., “control activo del ruido radiado por estructuras

bidimensionales” Ene. 2002

[7] P. Cobo, T. Bravo, M. Cuesta, C. Ranz, y M. Siguero.,” Control activo

del ruido” 1998

[8] Bonnot M, Romeu J., Capdevila R., Sánchez A. “aplicación del control

activo a la reducción del ruido en la cabina de un avión ligero” 2005.

[9] T. Bravo y P. “Cobo control activo global multicanal del ruido de baja

frecuencia en recintos” 1999.

[10] Diego Antón, María; Ferrer Contreras, Miguel; Piñero Sipán, Gema;

González Salvador, Alberto; García Bonito, Juan Jesús., “mejora de la

calidad del sonido de motor en el interior de vehículos mediante técnicas de

control activo” 2001

[11] Matlab use guide., “dsp with Simulink”

92

ANEXOS

control activo aislamiento ruido patiño 2008

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