Come scegliere il miglior misuratore di livello di pressione sonora per una misurazione accurata del rumore

Acquistare un misuratore di livello di pressione sonora è un'esperienza strana. Una dozzina di strumenti sembrano quasi identici, rientrano in una fascia di prezzo ristretta e tutti promettono "elevata precisione". Le differenze che effettivamente determinano se i tuoi dati sopravvivono all'esame accurato sono raramente visibili nella foto di un prodotto. Vivono nella capsula del microfono, nella classe di tolleranza per la quale lo strumento è stato omologato, nella gamma di frequenze che può onestamente coprire e nelle informazioni che ti restituisce una volta terminata la misurazione.

Trascorriamo le nostre giornate lavorative costruendo catene di misurazione del rumore e delle vibrazioni, quindi la nostra visione è pratica: non esiste un singolo misuratore di livello di pressione sonora migliore, ma solo la migliore corrispondenza tra uno strumento e un lavoro. Questa guida illustra cosa misurano realmente questi strumenti, come funziona la distinzione tra Classe 1 e Classe 2, quando un misuratore portatile smette di essere sufficiente e quali specifiche meritano la tua attenzione prima di impegnarti.

Cosa misura realmente un misuratore di livello di pressione sonora

Il suono è una fluttuazione veloce e minuscola della pressione dell'aria. Lo sfondo di un ufficio silenzioso muove l'aria di una frazione di pascal, una normale conversazione di pochi centesimi di pascal e un motore a reazione a distanza ravvicinata di decine di pascal. Poiché questo intervallo copre diversi milioni a uno, viene compresso su una scala logaritmica, il decibel, con una pressione di riferimento di 20 micropascal (μPa) - all'incirca il tono più silenzioso da 1 kHz che un orecchio giovane e sano può rilevare.

Qualunque sia il prezzo, ogni misuratore di livello di pressione sonora contiene gli stessi quattro blocchi. Una capsula microfonica converte la pressione in una tensione molto piccola. Un preamplificatore bufferizza la tensione e guida un cavo senza aggiungere rumore. L'elettronica di conversione ed elaborazione applica al segnale la ponderazione della frequenza e quella del tempo. Un display, una scheda di memoria o un collegamento di rete trasportano il risultato fuori dallo strumento. Ciò che cambia tra un misuratore economico e una catena di laboratori non è l'architettura ma la fedeltà delle prestazioni di ciascun blocco e la quantità di segnale originale che è possibile conservare.

Un contatore che mostra un solo numero nasconde moltissime decisioni prese per tuo conto. Prima di confrontare i modelli, è utile conoscere fluentemente il vocabolario presente nella scheda tecnica:

• SPL (dB rispetto a 20 µPa): il livello istantaneo di pressione sonora, il numero che le persone intendono quando chiedono quanto è forte qualcosa.
• Ponderazione A: un filtro che attenua le basse frequenze in modo da imitare l'udito umano; è alla base di quasi tutti i limiti di rumore ambientale e lavorativo.
• Ponderazione C e Z (piatta): contenuto a bassa frequenza più pesante e nessuna ponderazione, utilizzato per livelli di picco, test delle apparecchiature e qualsiasi analisi in cui non si desidera che l'opinione dello strumento venga inserita nei dati.
• Ponderazione temporale: le curve di risposta Veloce, Lento e Impulso che regolano la velocità con cui il livello visualizzato segue un segnale che cambia.
• Leq: il livello continuo equivalente, una media di energia su un periodo stabilito e una sintesi di gran lunga migliore di una fonte fluttuante rispetto a qualsiasi singolo istante.
• Lmax, Lmin e Lpicco: gli estremi, con il picco misurato su un rilevatore molto più veloce di quanto il display possa seguire.
• Bande d'ottava e di terzo d'ottava: il livello diviso per frequenza, che è ciò che ti serve per identificare una sorgente tonale o confrontare un risultato con una curva di classificazione del rumore.
• Livelli statistici (L10, L50, L90): i livelli superati per il 10, 50 e 90% di un periodo di misurazione, ampiamente utilizzato nella valutazione del rumore del traffico e della comunità.

Uno strumento che riporta solo il primo elemento dell'elenco è uno strumento di screening. Uno strumento che li segnala tutti, con memoria e batteria sufficienti per funzionare per giorni, è uno strumento di monitoraggio. Decidere quale dei due è effettivamente necessario è la prima decisione di acquisto onesta.

Abbinamento dello strumento al lavoro

Lo stesso principio di misurazione svolge compiti molto diversi e i compiti impongono requisiti diversi all’hardware. La maggior parte degli errori di acquisto derivano dalla scelta di uno strumento eccellente per un lavoro e inadeguato per il lavoro effettivamente svolto.

Classi di precisione: Classe 1, Classe 2 e Catena di laboratori

La norma IEC 61672-1 definisce due classi di prestazioni per i fonometri. Uno strumento di Classe 1 deve mantenere tolleranze più strette su una gamma di frequenze più ampia rispetto a uno strumento di Classe 2 ed entrambe le classi sono verificate tramite l'approvazione del tipo e, in molti paesi, la verifica periodica del singolo strumento. La Classe 1 è normalmente prevista ovunque un risultato possa essere contestato (report di conformità, controversie legali, dichiarazioni di prodotto) mentre la Classe 2 è adatta a sondaggi generali, screening e controlli interni.

L'etichetta della classe, tuttavia, descrive il contatore. Non dice nulla su quanto bene lo hai utilizzato, su come è stato montato il microfono o se la catena di misurazione è stata verificata quel giorno. Un misuratore di Classe 1 puntato nel punto sbagliato, senza parabrezza in una brezza leggera, produrrà dati peggiori di un misuratore di Classe 2 usato con attenzione.

Il terzo percorso – un microfono di misurazione che alimenta un analizzatore di segnale dinamico – si trova del tutto al di fuori del sistema di classe portatile. La sua precisione è una proprietà dell'intera catena: capsula, preamplificatore, cablaggio, digitalizzatore e calibrazione. Ciò ti dà libertà, ma significa anche che la responsabilità della tracciabilità è tua.

Il microfono decide più del misuratore

Se vuoi prendere spunto da questo articolo, lascia che sia questo: nella maggior parte delle situazioni pratiche, la capsula microfonica e il suo preamplificatore limitano la qualità di una misurazione molto prima che lo faccia l'elettronica. Una capsula di precisione con un preamplificatore ben abbinato davanti a un normale digitalizzatore supererà ogni volta un eccellente digitalizzatore alimentato da una capsula mediocre.

I microfoni a condensatore per misurazioni sono specificati in base al diametro per un motivo. Una capsula da mezzo pollice offre un buon compromesso tra sensibilità e comportamento alle alte frequenze, mentre una capsula da un quarto di pollice sacrifica la sensibilità per una risposta più ampia e piatta e prestazioni migliori a livelli sonori elevati e in spazi ristretti. Le versioni in campo libero, pressione e incidenza casuale sono corrette per diversi ambienti acustici; scegliere quello sbagliato introduce qualche decibel di errore alle alte frequenze, il che è importante quando si confrontano i risultati tra laboratori.

La polarizzazione è l'altra decisione. I microfoni polarizzati esternamente necessitano di un'alimentazione separata da 200 V e garantiscono un'eccellente stabilità a lungo termine. I tipi prepolarizzati (CCP/IEPE) funzionano con una semplice alimentazione a corrente costante, motivo per cui si integrano così facilmente con i moderni hardware di acquisizione dati, inclusa la nostra gamma di microfoni a condensatore acustico, dove la capsula, il preamplificatore e la disposizione di alimentazione sono abbinati in modo che la sensibilità rispetto alla quale si calibra sia la sensibilità con cui si misura.

Dal microfono ai dati: cosa aggiunge l'analizzatore

I misuratori portatili scartano deliberatamente le informazioni. La maggior parte di essi calcola il livello rispetto al tempo e conserva solo il riepilogo. Un analizzatore di segnale dinamico fa il contrario: memorizza la forma d'onda grezza e calibrata dal microfono in modo che a ogni domanda successiva (livelli di banda, spettri, tonalità, impulsività, correlazione con la velocità della macchina) si possa rispondere dallo stesso record senza una seconda visita al sito.

I requisiti sono semplici da dichiarare. Il front-end analogico deve fornire alimentazione a corrente costante al microfono, in genere pochi milliampere a 18-24 volt. Il convertitore analogico-digitale dovrebbe essere a 24 bit con campionamento simultaneo su tutti i canali, in modo da preservare le relazioni di fase tra microfoni e accelerometri. La frequenza di campionamento deve superare il doppio della frequenza di interesse più alta e, in pratica, è necessario un margine considerevolmente maggiore se si intende catturare eventi impulsivi o riutilizzare la forma d'onda per la riproduzione. Uno strumento a canale singolo ad alta velocità come lo ZTU8301C, che campiona fino a 256 kHz, è esattamente il tipo di strumento che trasforma un microfono in una stazione di misurazione completa.

ZT-U8301C Analizzatore di segnale dinamico a canale singolo da 256 kHz Un analizzatore USB a canale singolo a 24 bit con campionamento a 256 kHz, alimentazione IEPE e filtro anti-aliasing per trasformare i microfoni in stazioni di misurazione. Visualizza il prodotto →

Se non sei ancora sicuro di dove finisce uno strumento generico e inizia un vero analizzatore, questa breve spiegazione in cosa differisce un analizzatore di segnali dinamici da uno strumento tradizionale è un punto utile da cui iniziare.

Quando un microfono non basta

Molti problemi legati al rumore non possono essere risolti da un unico punto. Localizzare una sorgente su una macchina di grandi dimensioni, mappare un campo sonoro attorno a un veicolo, misurare il rumore in transito o monitorare diverse posizioni attorno a un impianto dipendono tutti da molti canali registrati nello stesso istante. L'adattamento di fase da canale a canale diventa più importante della precisione assoluta, perché le informazioni utili stanno nelle differenze tra i canali.

È qui che il conteggio dei canali e la velocità di trasmissione dei dati prendono il sopravvento sulle specifiche della capsula. Un analizzatore basato su scheda come ZTG9232I, con 32 canali trasmessi in streaming su Gigabit Ethernet, fornisce un'istantanea sincrona di un'intera struttura in un unico passaggio e consente allo stesso hardware di servire sia gli array acustici che i canali dell'accelerometro che solitamente li accompagnano.

ZT-G9232I Analizzatore di segnali dinamici Gigabit Ethernet a 32 canali Analizzatore Ethernet a 32 canali e 24 bit per l'acquisizione sincrona di tensione, IEPE e deformazione nel monitoraggio multipunto di vibrazioni e rumore. Visualizza il prodotto →

Per il lavoro su più punti, pianificare il cablaggio e il tempo di registrazione con la stessa attenzione con cui si pianifica il budget per i canali. Una registrazione a 32 canali con un'elevata frequenza di campionamento riempie la memoria in modo sorprendentemente rapido e la capacità di attivare, pre-attivare e segmentare le registrazioni spesso conta più della larghezza di banda grezza.

Calibrazione, tracciabilità e controlli sul campo

Ogni catena di misurazione acustica va alla deriva e ogni risultato che conta va difeso. La procedura è semplice: applicare un calibratore acustico al microfono immediatamente prima della misurazione e di nuovo immediatamente dopo. Se i due controlli concordano entro un piccolo margine, la catena è considerata stabile per tutta la durata. Se non sono d’accordo, i dati tra loro sono sospetti, indipendentemente da quanto sia elegante lo spettro.

I calibratori da campo producono tipicamente 94 dB e 114 dB a 1 kHz sul microfono montato, con un calibratore di Classe 1 specificato secondo IEC 60942 come compagno appropriato per una catena di misurazione di Classe 1. Oltre ai controlli giornalieri, lo strumento e il microfono dovrebbero essere restituiti a intervalli definiti in un laboratorio per la verifica, in modo che la tracciabilità dei risultati non dipenda da un dispositivo rimasto tranquillamente alla deriva per tre anni.

• Correzioni ambientali. Temperatura, umidità e pressione statica influenzano tutti la sensibilità della capsula e gli effetti maggiori si manifestano agli estremi del campo operativo piuttosto che in un laboratorio confortevole.
• Parabrezza. All'aperto, il parabrezza è essenziale; il suo effetto di inserzione è piccolo ma non pari a zero e dovrebbe essere tenuto in considerazione quando i risultati vengono riportati a una frazione di decibel.
• Rumore di fondo. Quando la fonte di interesse si trova solo pochi decibel sopra lo sfondo, il livello misurato è in parte lo sfondo. La pratica standard è quella di applicare una correzione quando la differenza è piccola e di scartare la misurazione quando la sorgente supera appena lo sfondo.
• Montaggio e orientamento. Le riflessioni provenienti dall'operatore, da un treppiede o dal piano terra possono superare la classe di precisione dello strumento stesso.

Misuratore portatile o catena di misura? Un percorso decisionale

La scelta di solito si risolve da sola dopo aver risposto onestamente a tre domande. Hai bisogno di difendere il numero in un contesto formale? È necessario comprendere la fonte anziché limitarsi a quantificarla? Qualcuno farà una nuova domanda su questi dati tra sei mesi?

• Due o tre risposte "no" indicano un misuratore portatile di Classe 2, usato con attenzione, controllato con un calibratore.
• Un "sì" sulla difendibilità formale indica uno strumento di Classe 1 con registrazione e una cronologia di verifica documentata.
• Un "sì" alla comprensione della sorgente, o alla futura rianalisi, indica una catena di microfono e analizzatore in cui viene preservato il segnale grezzo.

Molti team finiscono con entrambi: un misuratore portatile per rilevamenti rapidi e un sistema basato su canali per le misurazioni che generano report. Se il tuo lavoro unisce rumore e vibrazione, vale la pena esaminare come i due lati si inseriscono in un'unica architettura, che è ciò che il nostro sistemi di vibrazione e prove dinamiche sono costruiti attorno a sensori condivisi, acquisizione condivisa e un ambiente di analisi comune.

Specifiche da verificare prima dell'acquisto

L'elenco seguente è quello che applicheremmo a qualsiasi strumento candidato, qualunque sia la marca o la fascia di prezzo. Procedi in ordine e la maggior parte dei modelli inadatti si elimineranno da soli.

1. Tipo e diametro del microfono. Confermare se la capsula è a campo libero, a pressione o a incidenza casuale e se è prepolarizzata o polarizzata esternamente.
2. Gamma di frequenza. Controllare l'intervallo entro il quale si applica effettivamente la tolleranza dichiarata, non l'intervallo in cui lo strumento produce semplicemente un numero.
3. Gamma dinamica e rumore proprio. Un intervallo ampio è utile solo se la fascia inferiore è veramente abbastanza silenziosa per il livello più basso previsto.
4. Ponderazione e costanti di tempo. Le ponderazioni A, C e Z più Veloce, Lento e Impulso coprono la stragrande maggioranza del lavoro basato su standard.
5. Registrazione e memoria dei dati. Determinare quanti giorni di registrazione non presidiata può contenere lo strumento e come vengono recuperati i dati.
6. Frequenza di campionamento e profondità di bit. Per il lavoro di analisi, cerca la conversione a 24 bit e il campionamento simultaneo su tutti i canali.
7. Tipo di ingresso e potenza del sensore. Ingressi di tensione, IEPE e carica, con un'adeguata alimentazione di corrente costante per cavi lunghi, mantengono aperte le tue opzioni.
8. Conteggio canali. Acquista per la misura più grande che realisticamente ti aspetti, non per quella più piccola che puoi immaginare.
9. Interfaccia e sincronizzazione. USB per il lavoro portatile con unità singola; Ethernet per installazioni permanenti e sincronizzazione multi-unità.
10. Software ed esportazione. Verifica che i risultati possano essere esportati nei formati già utilizzati dal flusso di lavoro dei report, senza un convertitore proprietario.
11. Percorso di calibrazione. Confermare che la capsula possa essere calibrata con un calibratore da campo standard e verificata in laboratorio.
12. Protezione dell'ambiente. L'uso esterno e industriale richiede connettori, alloggiamenti e cavi progettati per le condizioni a cui possono soddisfare.

Dove le misurazioni della pressione sonora vanno male

Dopo un numero sufficiente di visite al sito, la stessa manciata di errori appare ancora e ancora, e nessuno di essi è causato dalla classe sbagliata dello strumento.

• Misurare nella brezza senza parabrezza e poi chiedersi perché il livello delle basse frequenze è gonfiato.
• Stando tra la sorgente e il microfono e misurando la riflessione anziché la sorgente.
• Registrare un livello solo un paio di decibel sopra il fondo e segnalarlo come se fosse l'unica fonte.
• Utilizzo di dati ponderati A per indagare un problema a bassa frequenza che la ponderazione A è stata progettata per de-enfatizzare.
• Dimenticando che un singolo valore Leq non può descrivere una sorgente impulsiva e omettendo completamente le misurazioni di picco.
• Calibrazione all'inizio di un rilievo e non alla fine, in modo che nulla verifichi la catena nelle ore intermedie.
• Registrando solo livelli sommari, per poi scoprire in seguito che la domanda interessante necessitava della forma d'onda.

Notate come molti di questi problemi vengono risolti non spendendo più soldi ma decidendo in anticipo a cosa devono rispondere i dati. Un breve piano di misurazione scritto, lungo una pagina, ne previene la maggior parte.

Unire rumore e vibrazioni

In pratica, la pressione sonora raramente arriva da sola. Una macchina rumorosa di solito vibra anche e le due misurazioni rispondono a metà diverse della stessa domanda. I microfoni catturano ciò che sente l'operatore; accelerometri e sensori di forza rivelano da dove proviene l'energia e come viaggia attraverso la struttura prima di irradiarsi come rumore.

Poiché l’hardware di acquisizione è condiviso, il costo marginale dell’aggiunta di canali di vibrazione a una misurazione del rumore è ridotto. Lo stesso analizzatore registra simultaneamente microfono, accelerometro e canali di forza, in modo che il monitoraggio degli ordini, l'analisi modale e gli studi sul percorso di trasferimento vengano eseguiti tutti sui dati acquisiti in un'unica sessione. Laddove la misurazione acustica necessita di un certificato di calibrazione, i canali di vibrazione necessitano di un proprio percorso di calibrazione ed entrambi traggono vantaggio dalla verifica congiunta prima che la macchina inizi a funzionare.

Domande frequenti

Un misuratore di Classe 1 è sempre la scelta migliore?

Non automaticamente. La Classe 1 offre tolleranze più strette e una gamma di frequenza verificata più ampia, essenziale quando un risultato deve essere difeso formalmente. Per lo screening di routine e i confronti interni, uno strumento di Classe 2 utilizzato con attenzione produce numeri perfettamente utilizzabili. Ciò che rende entrambe le classi affidabili è la disciplina di calibrazione e la pratica di misurazione sensata.

Può un’applicazione per smartphone sostituire un misuratore di livello di pressione sonora?

Il microfono del telefono è progettato per la voce, non per la metrologia. La sua risposta in frequenza non è uniforme, il controllo automatico del guadagno potrebbe essere attivo e la sua sensibilità assoluta non è tracciabile. Le applicazioni telefoniche sono utili per un'indicazione approssimativa se uno spazio è rumoroso e per nulla che debba essere annotato in un rapporto.

Ogni quanto va calibrata la catena?

Controlli sul campo prima e dopo ogni sessione di misurazione, senza eccezioni. Verifica di laboratorio dello strumento e della capsula a intervalli definiti dal vostro sistema di qualità o dalla normativa in base alla quale lavorate. Se un controllo sul campo non rientra nel margine di accettazione, considera l'intera sessione come sospetta.

Ho davvero bisogno dei dati della banda d'ottava?

Se hai bisogno di sapere cos'è il rumore, piuttosto che semplicemente quanto è forte, allora sì. Un singolo livello ponderato A non dice nulla sul fatto che il problema sia tonale, a bassa frequenza o a banda larga e la strategia di mitigazione è completamente diversa in ciascun caso. I dati di banda sono anche ciò su cui viene scritta la maggior parte degli schemi di classificazione del rumore.

Quanto dovrebbe costare un buon misuratore di livello di pressione sonora?

I prezzi tengono conto della capacità piuttosto che del marchio. Un misuratore di screening, uno strumento di registrazione di Classe 1 e una catena di analisi multicanale si trovano in tre fasce di budget chiaramente separate e il fattore decisivo dovrebbe essere quale fascia corrisponde alle domande a cui devi rispondere. Acquistare una classe superiore alle tue necessità è conveniente; acquistare una classe inferiore di solito significa ripetere il lavoro.

La ricerca del miglior misuratore di livello di pressione sonora è in realtà una questione relativa all’intento di misurazione. Decidete cosa devono dimostrare i dati, quanto tempo devono sopravvivere e chi potrebbe riesaminarli, e la scheda tecnica diventa molto più facile da leggere. Scegli prima la capsula, poi l'elettronica di conversione e per ultima la custodia, quindi calibra l'intera catena prima di fidarti di un singolo numero che produce. Questo ordine di pensiero ci è stato utile su ponti, sale macchine, laboratori e cantieri, e sarà utile anche a te.