DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MESA GIRATORIA AUTOMÁTICA PARA MEDICIÓN DE PATRÓN POLAR SHYMMY W. GARCIA BUSTOS UNIVERSIDAD DE SAN BUENABENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE SONIDO BOGOTÁ D.C. 2009 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MESA GIRATORIA AUTOMÁTICA PARA MEDICIÓN DE PATRÓN POLAR SHYMMY W. GARCIA BUSTOS PROYECTO DE GRADO UNIVERSIDAD DE SAN BUENABENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE SONIDO BOGOTÁ D.C. 2009 Nota de aceptación: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ Firma del presidente del jurado _________________________________ Firma del jurado _________________________________ Firma del jurado DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a quien amo con todo mi corazón, quien a través de todos estos años de estudio siempre estuvo a mi lado ayudándome, enseñándome y permitiéndome alcanzar paso a paso cada logro en mi vida, a Él y solo a Él, a mi DIOS ¡Muchas Gracias!. A mis padres por todo su esfuerzo y sacrificio durante estos años de estudio por creer en mí y apoyarme en lo que fue este gran reto. ¡ LOS AMO! Agradecimientos Un profundo agradecimiento a Dios por permitirme terminar este trabajo y lograr el objetivo propuesto al iniciar está carrera. También por colocar en mi camino personas que de forma directa o indirecta ayudaron a que este proyecto fuese una realidad. A los ingenieros Holbein Castillo y Jamis Garzón por sus consejos y colaboración en el desarrollo de este proyecto. Al ingeniero Miguel Pérez, por su gran ayuda, sus asesorías en el área de la electrónica. A Jaime Andrés Vanegas por su tiempo, sus consejos y su ayuda incondicional. A Diego Fernando Hidalgo y William Posada porque sin su colaboración hubiese sido difícil el cumplimiento de los objetivos. Al profesor Luis Jorge Herrera por su paciencia. A todos los que participaron de una forma u otra muchas gracias. CONTENIDO Pag INTRODUCCIÓN…………………………………………………………...…...1 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………...……3 1.1 Antecedentes…………………………………………………………...…..3 1.2 Descripción Y Formulación Del Problema……………………..…….….8 1.3 Justificación……………………………………………………..………….8 1.4 Objetivos De La Investigación………………………………..……….….9 1.4.1 Objetivo General………………………………………………………....9 1.4.2 Objetivos Específicos…………………………………………………....9 1.5 Alcances Y Limitaciones Del Proyecto…………………………………9 1.5.1 Alcances…………………………..……………………………………..9 1.5.2 Limitaciones………………………………………………...……………10 2. MARCO DE REFERENCIA………………………………………..……...10 2.1 MARCO TEÓRICO - CONCEPTUAL…………………………………...10 2.1.1 Frecuencia………………………………………..……………………...10 2.1.2 Periodo……………………………………………..…………………….10 2.1.3 Longitud de onda………………………………………………………..11 2.1.4 Ondas sonoras………………………………………………..…………11 2.1.5 Presión sonora……………………………………………..……………12 2.1.6 Decibel………………………………………………….……….…….….12 2.1.7 Filtros De Ponderación……………………………………….………..13 2.1.8 Nivel de Presión sonora……………………………………………….15 2.1.9 Altoparlantes…………………………………………………………..…15 2.1.9.1Respuesta en frecuencia………………………………………….…16 2.1.9.2 Potencia………………………………………………………………..16 2.1.9.3 Impedancia……………………………………………….….………...19 2.1.9.4 Sensibilidad…………………………………………………………....19 2.1.9.5 Rendimiento…………………………………………………………...20 2.1.9.6 Distorsión……………………………………………….………….….20 2.1.10 Directividad de altoparlantes………………………….……….……..20 2.1.10.1 Omnidireccional.……………………………………………….…...21 2.1.10.2 Bidireccional.………………………………………………….…….22 2.1.10.3 Unidireccionales……………………………………………… ..…...24 2.1.11 Factor Q………………………………………………………….……..23 2.1.12 Índice de directividad………………………………………….……..23 2.1.13 Tipos de Altavoces………………………………………..…………..23 2.1.14 Driver de compresión………………………………………...………..25 2.1.15 Protocolos de comunicación…………………………………..…....26 2.1.15.1 Puerto serie………………………………………….…….………..26 2.1.15.2 Puerto paralelo………………………………………….……..…...28 2.1.16 Micro-controlador………………………………………….…….……31 2.1.17 Los PICS……………………………………………….……..………..33 2.1.17.2 PICs usados comúnmente…………………………….….…….…34 2.1.17.3 Programación del PIC……….………………………..…….………35 2.1.18 Motor eléctrico…………………………………………………..……..37 2.1.19 Motores de paso……………………………………………………….38 2.1.20 Motores de corriente continúa………………………….……………39 2.1.21 Introducción de reductores y motorreductores…………….………39 2.1.22 Reductores y Motorreductores………………..……………………..40 3. METODOLOGÍA…………………………………………..………………..42 3.1 Enfoque De La Investigación…………………………………..……....42 3.2 Línea De Investigación De Usb / Sub-Línea De Facultad / Campo Temático Del Programa………………………………………………………42 3.3 Técnicas De Recolección De Información……………………………..43 3.4 Hipótesis………………………………………………………………..….46 3.5 Variables………………………………………..…………….……………47 3.5.1 Variables Independientes…………………………..………..………47 3.5.2 Variables Dependientes………………..……………………..………51 4. DESARROLLO INGENIERIL………………………………….……..……48 4.1 Etapa mecánica……………………………………….………………….48 4.1.1 Despiece del sistema mecánico…………………….………………..50 4.1.1.1 Base…………………………………….……………………………..50 4.1.1.2 Rodamiento principal…………………………………….……..…….51 4.1.1.3 Superficie Giratoria………………………………………………...…52 4.1.1.4 Rodamientos de soporte para la superficie giratoria………...……53 4.1.1.5 Soporte Motor……………………………………………….….……..54 4.1.1.6 Base para elementos electrónicos……………………..…….…..…55 4.1.1.7 Motor…………………………………………………………………...57 4.2 Etapa de electrónica……………………………………….…….…….....58 4.2.1 Circuito de control……………………………………….…….…….…59 4.2.2 Circuito de potencia………………………………….………………....65 4.3 Etapa de programación…………………………………..…………..…..68 4.3.1 Programación del PIC16f877A……………………..…………..……..68 4.3.2 Programación en matlab……………………………………….………70 4.3.2.1 Calibración de la mesa (sistema mecánico)……………………....70 4.3.2.2 Calibración de audio………………………………………………....71 4.3.2.3 Segunda parte: Toma y análisis de datos. ……..………..……….73 5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………….……..….75 5.1 Medición Por El Método Tradicional………………………………...…..77 5.1.1 Montaje……………………………………………………………..……77 5.1.2 Diagrama De Conexiones……………………………………………...79 5.1.3 Resultados………………………….……………………………………80 5.2 Mediciones utilizando la mesa giratoria automática…………………...81 5.2.1 Montaje…………………………………………………………..………82 5.2.2 Diagrama de conexiones………………………………………..……..82 5.2.3 Resultados………………………………………………………..……...85 5.3 Mediciones Cada Grado………………………………………….……...87 5.4 Consideraciones………………………………………………….…….…89 6. CONCLUSIONES……………………….………………………….…..…..91 7. RECOMENDACIONES……………………………..………………...……93 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..94 ANEXOS……………………………………………………………………......95 LISTA DE FIGURAS PAG Figura1. Patrón polar en esfera de un parlante………………….………….4 Figura 2. Sistema de mesa giratoria de OUTLINE.....................................6 Figura 3. Electronically Turntable, sistema completo, conformado por la mesa giratoria, la interfaz y el software que controla el sistema………..….6 Figura 4. Turntable System Type 9640, desarrollado por Brüel & Kjaer….7 Figura 5. Curvas de ponderación de filtros A, B C………………………...14 Figura 6. Diagrama polar omnidireccional……………………......……......21 Figura 7. Diagrama polar bidireccional…………………..………….………22 Figura 8. Diagrama polar cardioide………………………..………………..23 Figura 9. Conector DB9 Serial……………………………..………………..26 Figura 10. Un puerto paralelo de impresora en la parte trasera de un portátil Compaq N150………………………...………………………...……..29 Figura 11. Microcontrolador Motorola 68HC11 y chips de soporte………31 Figura 12. Esquema de un micro-controlador……………………...………32 Figura 13. Microcontrolador PIC…………………………………………….33 Figura 14. Sonómetro Svantek, Modelo: 943ª………………….………….43 Figura 15. Micrófono de medición BECM8000…………………..………..44 Figura 16. Tarjeta de audio MAUDIO, Fast Track Pro……………………45 Figura 17- Sistema mecánico………………………………………………..49 Figura 18-19. Sistema mecánico…………………………………………….50 Figura 20. Plano Base………………………………………………………...50 Figuras 21- 22. Diseño de la base del sistema mecánico………………..51 Figura 23. Plano del rodamiento principal…………………….…………....51 Figura 24. Diseño del rodamiento principal………………………………...52 Figura 25. Plano de la superficie giratoria………………………….……....52 Figura 26-27. Superficie giratoria en plano abierto y en detalle………….53 Figura 28. Plano de la base y el rodamiento de soporte de la superficie giratoria……………………………………………………………………..…..53 Figura 29-30. Diseño de los rodamientos de soporte y su ubicación en la base del sistema……………………………………………………………….54 Figura 31. Plano del soporte del motor……………………………….…….54 Figura 32-33. Elemento cilíndrico donde se ubica el motor. Rieles de ubicación del motor en el eje horizontal……………………………………..55 Figura 34. Acople del sistema de soporte del motor…………………..…..55 Figura 35. Plano de base para elementos electrónicos………….…….…56 Figura 36-37. Diseño de base para elementos electrónicos. Ubicación en la base principal del sistema……………………………………………….....56 Figura 38-39. Plano del motorreductor. Diseño del motorreductor………57 Figura 40. Circuito integrado Max 232………………………………..…….60 Figura 41. Especificación de los pines y construcción del circuito integrado Max 232……………………………………………..……………...61 Figura 42. Microcontrolador PIC16f877A…………………………………...62 Figura 43. Especificación de los pines del microcontrolador PIC16f877A………………………………………………………………..……62 Figura 44. Optoacoplador de herradura………….……………………..….65 Figura 45-46. Optoacoplador encapsulado MCT6. Diseño típico con optoacoplador…………………………………………………………………..66 Figura 47. Amplificador operacional Tip31C…………………………..…...66 Figura 48. Plano del circuito electrónico utilizado en la interfaz de comunicación……………………………….………………………..…………67 Figura 49. Interfaz grafica de calibración del sistema……………………..73 Figura 50. Interfaz grafica de realización de la medición……………...….74 Figura 51. Sistema mecánico………………………………………..………75 Figura 52. Sistema de movimiento del motor………………………..……..75 Figura 53. Rodamientos De soporte…………………………………...…...76 Figura 54. Sistema de conteo de grados por optoacoplador de herradura...................................................................................................76 Figura 55. Diagrama de conexiones del método tradicional………………………………………………………………….……79 Figura 56. Diagrama polar resultante de las mediciones por el método tradicional………………………………………………………………..……...81 Figura 57. Diagrama de conexiones por el método de sistema de mesa giratoria automática…………………………………………………..………..82 Figura 58. Montaje del sistema……………………………………….……..83 Figura 59. Método de calibración por medio del pistófono………..……...83 Figura 60. Resultado en la calibración del sistema para realización de las mediciones……………………………………………………………....……..84 Figura 61. Montaje dispuesto para la realización de las mediciones…....84 Figura 62. Resultado en la interfaz gráfica luego de realizar las mediciones cada 10 grados………………………………………………….85 Figura 63. Grafica polar resultante de las mediciones realizadas cada 10 grados………………………………………………………………..…………86 Figura 64. Grafica polar resultante de las mediciones por el método de mesa giratoria automática disminuyendo la escala………………………..87 Figura 65. Interfaz principal en mediciones de resolución 1º…………….88 Figura 66. Grafica de matlab resultante de las mediciones con resolución 1º………………………………………………………………………………..88 Figura 67. Grafica patrón polar en Excel con los datos obtenidos en la medición de 1º………………………………………………………………….89 LISTA DE TABLAS Tabla1. Niveles de voltaje TTL y RS232……………………………….…...60 Tabla 2. Resultados de las mediciones de ruido de fondo, realizadas con el sonómetro……………………………………………….............................79 Tabla 3. Resultados de la medición del patrón polar por medio del método tradicional…………………………………………………………………….....80 Tabla 4. Resultados de la medición del patrón polar por medio del método de mesa giratoria automática……………………………………………..85-86 LISTA DE ANEXOS ANEXO A Características Del Pic 16F877A…………………………………………….96 ANEXO B Descripción de los pines del microcontrolador PIC 16F877A………...97-99 ANEXO C Código de programación del microcontrolador PIC16f877a…........ 100-101 ANEXO D Código de programación de la interfaz grafica de usuario desarrollada en matlab para la etapa de calibración………………………………….. 102-107 ANEXO E Código de programación de la interfaz grafica de usuario desarrollada en matlab para la etapa toma y análisis de datos…………………….. 108-116 ANEXO F Tabla de datos de los valores obtenidos en matlab para la medición de los 360º con resolución de 1º…………………………………………117-119 INTRODUCCIÓN ¿Qué es una mesa giratoria automática? ¿Para qué sirve? y ¿Cómo se usa?, son las primeras preguntas que surgen al leer o escuchar el titulo de este proyecto, por eso como primera medida se procede a explicar de manera global de que se trata y a qué se refiere. Una mesa giratoria automática, es un dispositivo mecánico formado por una superficie plana de forma circular que gira sobre su propio eje, sobre esta se coloca un altoparlante, también conocido como bafle o cabina, con el fin de medir su patrón polar. Funciona mediante un motor que hace girar dicha superficie con el altoparlante encima de ella. Mientras que un dispositivo de captura, toma los niveles de presión sonora de este y los almacena para su posterior representación gráfica. El patrón polar de los alto parlante o bafles, se utiliza para conocer los parámetros de radiación sonora que estos poseen, dichos parámetros tiene gran aplicación a la hora de escoger y utilizar uno u otro sistema de sonido, dependiendo obviamente de las necesidades y de las características de dichos sistemas. En el presente documento se encuentra la información, tanto teórica como práctica, necesaria para el diseño y la construcción de dicha mesa, esta teoría está enfocada desde el punto de vista ingenieril, más precisamente desde la ingeniería de sonido, centrándose en lo que a un ingeniero de sonido le interesa más, esto significa que aunque son necesarias aplicaciones mecánicas, electrónicas y de programación, el objetivo no se centra en un análisis detallado del sistema mecánico (torques, fuerzas, velocidad de giro) o en un detallado análisis de la electrónica utilizada y aunque se muestra el diseño realizado los parámetros de dichos diseños no son más que meramente nombrados. Por otro lado, aunque no es un proyecto de ingeniería de sistemas o de programación en sí, la programación del software de adquisición de datos 1 del SPL (sound presión level) cobra mayor importancia pués es esto lo verdaderamente relevante a la hora de analizar los resultados finales, esto sin olvidar que el sistema es un todo y cada parte complementa y hace parte de la otra, tanto la mecánica como la electrónica y la programación. El desarrollo de este proyecto está claramente dividido en tres partes como se ha venido mencionando, mecánica, electrónica y programación, cada una de ellas mencionando su funcionamiento y aporte al todo del sistema. El diseño y la construcción de una mesa giratoria automática busca facilitar el trabajo y la precisión en dichas mediciones, mediante un software donde el usuario pueda determinar el número de grados que avanza y el número de mediciones en cada punto, esto con el fin de obtener una medida más precisa. 2 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Antecedentes Las mediciones de directividad de parlantes son tan antiguas como los parlantes mismos, compañías especializadas en el diseño y construcción de estos realizan las pruebas de directividad de sus productos en sus laboratorios especializados. Existen varias formas de medir el patrón polar de un bafle, el denominado tradicional y el profesional, que se realiza en su mayoría por las mismas compañías fabricantes o por empresas especializadas en acústica y medición de altavoces. El sistema de medición, denominado tradicional, se realiza con un sonómetro o un decibelímetro dejando la fuente estática y la persona que realiza la medición debe realizar el movimiento alrededor del altavoz. Es importante hacer notar que este método tiene grandes desventajas pues debido al continuo movimiento de los sistemas de medición los errores sistemáticos aumentan notablemente esto sin mencionar que al estar la persona detrás del instrumento de medición produce una gran absorción del sonido radiado por la fuente, lo que influye en el resultado de las mediciones. Además quienes realizan este tipo de medición no siempre cuentan con una cámara anecóica (con cero reverberación), lo que implica un aumento en los errores pues existe más probabilidad de un aumento en el ruido de ambiente. Las mediciones de directividad o patrón polar de altavoces realizadas profesionalmente se realizan en cámaras anecóicas mediante dispositivos altamente sofisticados que entregan datos muy precisos de los altavoces. La forma en que se desarrollan estas mediciones es, a grandes rasgos, así: se coloca un micrófono a una distancia práctica de la 3 fuente (normalmente alrededor de 4 metros), y se gira el altavoz para conseguir los diferentes ángulos. Normalmente esta rotación se realiza alrededor de un eje, de forma que se necesita un pase diferente para cada corte esférico, es decir, que se necesitados pases para sacar curvas polares horizontales y verticales (que corresponderían al ecuador y un meridiano de la esfera). Figura1. Patrón polar en esfera de un parlante 1 El resultado final es una respuesta en frecuencia para cada punto de la esfera de medida, con resolución que puede variar de 1/24 de octava a 1/3 de octava, con una resolución angular que está entre 1 y 10 grados. La Figura 2 contiene un conjunto de estas representaciones respuestas en frecuencia para el corte horizontal, que se representa como un gráfico de cascada (en inglés, waterfall). Estos datos de alta resolución muestran la transición desde una respuesta plana en el eje (enfrente de la caja) a una respuesta dominada por los bajos fuera del eje (detrás de la caja). Pueden visualizarse los puntos de medida como el "ecuador" de la esfera. Empresas como DAS audio, desarrollaron un sistema de medición de directividad llamado plataforma AUTOPOL de alta resolución, que aún 1 Fuente: Directividad de altavoces. Terminología y representaciones José Brusi 4 hoy en día es uno de los sistemas de medida más avanzados del mundo, ofreciendo una resolución angular de 2 grados y 1/24 de octava en frecuencia. AUTOPOL se encarga de automatizar las medidas y su postprocesado, haciendo posible la publicación en hojas técnicas de información muy detallada con respecto a la directividad de los altavoces. Sin embargo estos sistemas de medición de gran desarrollo tecnológico tienen su desventaja y es que son sistemas y software de propietario, por lo que no se tiene acceso a estos. Por esta razón diferentes empresas desarrollaron sistemas de medición accesibles (en teoría, puesto que son sistemas bastante costosos) a usuarios interesados en realizar sus propias mediciones. La empresa Outline es un fabricante italiano de altavoces de alta gama para concierto y la industria. Dentro de su catalogo de productos ofrecen un sistema de rotación automático altavoces. Su para medición de patrón polar de sistema conocido como System “E.T” (Electronically Turntable) es un sistema desarrollado para medir patron polar en 2 o 3 dimensiones segun las necesidades del cliente. Este sistema cuenta con una plataforma que soporta hasta 1500 kg. Max y con una resolución de 0.01 grados, por otra parte añadiendo un sistema extra puede realizar mediciones en 3 dimensiones haciendo de este sistema uno de los más avanzados que se encuentra en el mercado. 5 Figura 2. Sistema de mesa giratoria de OUTLINE 2 El sistema cuenta con una interfaz de control de la mesa que se interconecta tanto con la mesa como con el pc. Este sistema cuenta a demás con un software de manejo. Figura 3. Electronically Turntable, sistema completo, conformado por la mesa giratoria, la interfaz y el software que controla el sistema 2 Fuente: http://www.outline.it/ET2-ST2_Turntable.htm 3 IBID 6 3 Estas mediciones se presentan también en un solo plano x/y, siendo igualmente validas y apreciables en las hojas técnicas de los altavoces, esta forma de presentar los resultados de las mediciones se conoce como diagrama polar de radiación. Empresas como Brüel & Kjaer, una compañía danesa especializada en diseño de instrumentación para mediciones acústicas, desarrollo un sistema de mesa giratoria llamado Turntable System Type 9640, que es un sistema diseñado para medición de patrón polar. Turntable System Type 9640, Es la unión de varios sistemas desarrollados por Brüel & Kjaer consiste en una mesa giratoria Turntable Type 5960, un controlador Turntable Type 5997 y un control remoto WB 1254. Dicho sistema consiste en una mesa giratoria controlada por mando a distancia está diseñada para girar el objeto a medir que puede ser un altavoz o un micrófono para medir la respuesta direccional. Este puede soportar hasta 100kg en su centro, tiene un movimiento de rotación continuo con una resolución de 1 grado un diámetro de 354 mm y pesa solamente 12Kg. Este sistema a diferencia del de DAS audio esta a la venta para que quien lo requiera realice sus propias mediciones. Figura 4. Turntable System Type 9640, desarrollado por Brüel & Kjaer 4 4 Fuente: http://www.bksv.com/products/telecomaudiosolutions/electroacousticsaccessories/turntablesys temtype9640.aspx 7 Local o nacionalmente no se han desarrollado sistemas de medición de patrón polar de altavoces si no que se recurre a los métodos tradicionales de medición. 1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA La medición de la directividad de los altoparlantes por el denominado método tradicional resulta ser un proceso tedioso y muchas veces inexacto debido a una serie de errores sistemáticos ocasionados por el movimiento constante de los instrumentos de medición y la inexactitud en la rotación al rededor de la fuente sonora. Dichos errores como cambiar la distancia del instrumento de medición a la fuente, o la ubicación respecto al eje de la fuente, incluso la ubicación de la persona detrás del instrumento de medición, lo que genera absorción, producen su efecto en los resultados de la medición, esto sin mencionar que la resolución de movimiento es inexacta y no puede ser muy pequeña. ¿Cómo construir un dispositivo capaz de facilitar las mediciones y minimizar los errores producidos por el hombre, en el proceso de medición del patrón polar de los parlantes? 1.3 JUSTIFICACIÓN Con la construcción de la mesa giratoria se provee una herramienta fundamental a la hora de medir la directividad de los altoparlantes, disminuyendo en gran medida los errores sistemáticos que se pueden generar por el movimiento y cambio de posición continuo de los instrumentos de medida. El diseño y construcción de una mesa giratoria automática permite realizar mediciones de patrón polar de un altoparlante de manera práctica y dinámica por medio de un software donde el usuario puede determinar los parámetros fundamentales de una medición de directividad (numero de grados de cada medición y tiempo de duración en cada punto). 8 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1 Objetivo General Diseñar y construir una mesa giratoria automática, con parámetros ajustables, software de adquisición y manipulación para medición del patrón polar de altavoces. 1.4.2 Objetivos Específicos • Elaborar un software que permita ingresar los parámetros correspondientes a la posición y número de mediciones, que capture, almacene y grafique los datos correspondientes al patrón polar del altavoz. • Diseñar y construir la mesa giratoria automática. • Diseñar e implementar una interface de comunicación entre la mesa giratoria y el software de análisis. • Realizar las pruebas correspondientes a la verificación del correcto funcionamiento de la mesa giratoria. 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 Alcances Con el sistema de medición desarrollado en este proyecto se proporciona una herramienta de mejora en las mediciones de patrón polar de altavoces, mejorando la eficiencia de dichas mediciones y disminuyendo los errores sistemáticos producidos por el hombre en el desarrollo de las mismas. 1.5.2 Limitaciones El peso máximo soportado por el sistema mecánico. El ángulo de giro mínimo del sistema debido al sistema mecánico implementado. 9 2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO TEÓRICO - CONCEPTUAL El contenido de este capítulo es en esencia teórico, aquí se exponen los conceptos fundamentales para el correcto entendimiento del proyecto. Se iniciaran con los conceptos correspondientes a los altavoces, mencionando los tipos existentes sus patrones de radiación, los conceptos acústicos asociados a estos y finalmente los conceptos de la parte mecánica seguidos por los usados en la parte electrónica y programación. 2.1.1 Frecuencia Es un término empleado para indicar el número de oscilaciones que se repiten un una unidad de tiempo para cualquier fenómeno periódico. Según el sistema internacional, la unidad de medida de la frecuencia es el Hertz (Hz), el cual se calcula mediante la contabilización de un número de ocurrencias, teniendo en cuenta un intervalo temporal, luego estas repeticiones se dividen por el tiempo transcurrido. 2.1.2 Periodo Es el tiempo transcurrido en un periodo de frecuencia, es decir, es la cantidad de tiempo medida entre dos puntos equivalentes de oscilación, que así mismo es lo que emplea un suceso periódico en completar una pulsación. El periodo es recíproco a la frecuencia, siendo posible calcularlo de la siguiente forma: T= 1 f 10 2.1.3 Longitud de onda Es la forma física mediante la cual es posible determinar el tamaño de una onda. Físicamente, para ondas sinusoidales, es la distancia existente entre dos puntos de valor máximo, cuyo estado de movimiento es idéntico. La longitud de onda se encuentra ligada con la frecuencia en forma inversamente proporcional, y es posible determinar su valor sabiendo la velocidad a través de la cual están viajando las ondas mediante la siguiente ecuación: λ= c f Donde: λ es la longitud de onda, c es la velocidad de transmisión de la onda en el medio y f es la frecuencia de la onda medida en Hertz. 2.1.4 Ondas sonoras La onda sonora es un movimiento físico de tipo ondulatorio bajo el cual existe un proceso de propagación de energía de un punto en el espacio a otro sin haber transferencia de materia. Al momento en que las ondas de un movimiento ondulatorio requieren un medio material para su transportación, toman el nombre de ondas mecánicas. Al corresponder las ondas sonoras al tipo de desplazamiento mecánico, quiere decir que estas pueden viajar a través de cualquier medio material mas no sin el. La velocidad con que esta se transporta se encuentra directamente relacionada con las propiedades físicas del material en el cual se desenvuelve. Al ser el sonido una perturbación en el medio en el que se mueve quiere decir que genera un desplazamiento molecular del material, donde las partículas de este vibran produciendo cambios en la densidad y la presión a lo largo de la dirección de movimiento de la onda, siendo esta la forma en que las ondas se trasladan de un punto a otro. 11 2.1.5 Presión sonora La presión sonora o también llamada presión acústica es producida por la propagación de ondas sonoras en un medio. Dicha propagación, al perturbar un medio estable, genera un cambio en la densidad de las partículas en las cuales se propaga la onda, generando de esta forma variaciones de presión y produciendo zonas done existe mayor concentración de estas partículas y otras zonas con menor saturación, denominándose a estas, zona de compresión y zona de rarefacción respectivamente. El caso más común que es posible encontrar para el ser humano es la perturbación generada por una onda sonora en el aire, la cual ejerce un cambio en la presión atmosférica cuya unidad es el Pascal (Pa), produciendo en ella una variación instantánea tanto por encima como por debajo de la presión atmosférica, generando a su vez zonas de compresión y rarefacción en el medio. Dicho fenómeno actúa como un estímulo para el sistema auditivo que en último término es traducido como un sonido para el hombre. 2.1.6 Decibel El decibel o también llamado decibelio es una unidad logarítmica para expresar la relación entre dos magnitudes. Para casi todos los casos se tiene una comparación entre una cantidad con otra llamada de referencia, siendo siempre ambos valores de un mismo tipo. El número de decibelios esta dado como diez veces el logaritmo en base diez de la relación entre dos valores. Las unidades de decibelios más utilizadas en sonido y acústica son: dB FS. (FS = Full Scale, escala completa). Medida relativa de señal en la que 0 dB es el valor RMS de una sinusoide cuyo pico positivo lleva al valor digital máximo. 12 dB m. Medida absoluta de voltaje referida a 1 mW. Para una carga de 600 ohmios el voltaje es de 0,775 voltios, que coindice con el de los dB u. Este tipo de unidad está hoy en día en desuso en el audio, ya que no interesa la transferencia de potencia sino de voltaje. dB SPL. Medida absoluta, en decibelios, de presión sonora referenciada a 20 micro pascales. dB u. Medida absoluta, en decibelios, de voltaje referida a 0,775 voltios. dB V. Medida absoluta, en decibelios, de voltaje referida a 1 voltio. dB(A), dB(B), and dB(C) Estos símbolos son usados para mostrar el uso de diferentes filtros de ponderación diseñados para aproximar las mediciones a la respuesta del oído humano 2.1.7 Filtros De Ponderación La percepción del sonido por el oído humano es un fenómeno complejo, que depende de la frecuencia y del nivel de presión sonora de la onda sonora, no existiendo linealidad entre ambas variables. Si los valores de presión acústica se miden linealmente, aun siendo cierta dicha medida, tiene poco valor en cuanto a la percepción del oído humano, puesto que el oído humano tiene una menor sensibilidad en las frecuencias más graves, y en las más agudas frente a las medias. Por tanto lo que más se oye son las frecuencias medias, y las que menos las más graves seguidas de las más agudas. Por eso es necesario encontrar una forma de ajustar los niveles de dB medidos con la percepción que el oído tiene de los mismos según cada frecuencia. Esta corrección se realiza ponderando los dB medidos mediante una tabla de ponderación ya especificada y que se llama tabla de ponderación “A". Los decibelios ya ponderados en "A" se representan como dBA y los no ponderados, llamados lineales, como dB. 13 Por ejemplo si en una frecuencia de 100 Hz hemos medido 80 dB, al ponderarlo pasaran a ser 60,9 dBA, esto quiere decir que un nivel de presión sonora de 80 dB en una frecuencia de 100 Hz es oída por nuestro sistema de audición como si realmente tuviese 60,9 dBA y no 80 dB. Estas tablas de ponderación están especificadas en la Norma S1.4 de ASA, y han quedado internacionalmente aceptadas a través de la ISO. La escala A está pensada como atenuación al oído cuando soporta niveles de presión sonora bajos (<55dB) a las distintas frecuencias. La escala B representa la atenuación para niveles intermedios (55-85 dB) y la C para altos (>85 dB). La D está pensada para muy altos niveles de presión sonora. El cálculo del filtro de ponderación A se puede ser descrito como una función de frecuencia por la siguiente ecuación: Figura 5. Curvas de ponderación de filtros A, B C 14 2.1.8 Nivel de Presión sonora El nivel de presión sonora (SPL) es una forma de medir la variación de presión en decibelios generada por una onda sonora, la cual se define por la siguiente ecuación 2 SPL = 10 log10 p = 20 log10 p p0 p0 Donde p se refiere al valor de presión instantáneo, medido en Pascales, producido por la onda sonora que se desplaza en el medio y p0 es la presión de referencia, la cual es en todos los casos tendrá un valor de 20 micropascales. Este valor de referencia describe en forma estándar al umbral de percepción del oído humano. El empleo del nivel de presión sonora es debido a que los valores de presión que varían a lo largo de una perturbación sonora poseen cambios demasiado grandes, lo cual dificulta su manejo. Al emplear un sistema logarítmico la variación de las unidades se reduce de tal forma que su uso es mucho más sencillo, además este tipo de unidad se asemeja mucho a la forma mediante la cual el sistema auditivo interpreta las señales sonoras que recibe del exterior. 2.1.9 Altoparlantes Un altoparlante es un dispositivo transductor de tipo electro-mecanoacústico, es decir, se encarga de realizar la conversión de las señales de audio a una onda que se propaga por el medio. Este procedimiento consiste en dos etapas importantes, en la primera etapa convierte las ondas eléctricas en energía mecánica, y en la segunda convierte la energía mecánica en energía acústica. 15 Las principales características de los altoparlantes son: 2.1.9.1 Respuesta en frecuencia La respuesta en frecuencia de un altoparlante se representa mediante una curva que representa la variación de la presión sonora que esta genera en función de la frecuencia, manteniendo siempre la señal de entrada de tal forma que sea constante. Los altavoces de alta calidad tienen un margen de variación de 6 dB para el margen audible de los 20 Hz - 20 kHz. Fuera de los sistemas de alta calidad, también son aceptables las variaciones de 3 dB en un margen de 100 Hz a 15 KHz. En las especificaciones técnicas suele venir la curva de respuesta en frecuencia, pero se debe tener en cuenta que los fabricantes probablemente hayan hecho sus mediciones en las condiciones más favorables, por lo que los resultados serán superiores a los reales. 2.1.9.2 Potencia Hace referencia a la potencia eléctrica que entra en el altavoz (no a la potencia acústica). Es la cantidad de energía (en vatios) que se puede introducir en el altavoz antes de que distorsione en exceso o de que pueda sufrir desperfectos. Dentro de la potencia se diferencia entre potencia nominal y potencia admisible. Potencia nominal: Potencia máxima, en régimen continuo, que puede soportar el altavoz antes de deteriorarse. Si se hace trabajar al altavoz por encima de esa potencia nominal se podrá dañar irremediablemente el altavoz ya que éste no podrá disipar el calor producido por la corriente eléctrica que circula por la bobina y ésta puede fundir el aislante que recubre el hilo de cobre que la forma, provocando cortocircuitos o cortándose la espalda por fusión del hilo de cobre. 16 La fórmula para obtener la potencia eléctrica de entrada necesaria es: Donde: P = potencia eléctrica I = intensidad Z = impedancia Potencia media máxima o potencia de régimen: Corresponde a la potencia máxima que se puede aplicar al altavoz de forma continua. Determina la potencia máxima que puede disipar la bobina (en forma de calor) sin que ésta se queme por exceso de temperatura. A veces se encuentra como Potencia RMS, pero esto es incorrecto, pues el apelativo RMS solo tiene sentido para voltajes y corrientes, no para potencias. Potencia de pico máximo o potencia admisible: Potencia máxima impulsiva (un pico de señal), que puede soportar cada cierto tiempo el altavoz antes de deteriorarse. Corresponde al valor máximo instantáneo de potencia que puede aplicarse durante un tiempo muy corto. Este valor está muy relacionado con otra limitación de los altavoces que es el máximo recorrido de la bobina sin que se destruya el diafragma (esto se denomina desconado del altavoz). Esta potencia es mayor que la potencia media máxima. Estas dos anteriores son quizás las más importantes pero existen otras cuya medida es importante para conocer el comportamiento de los altavoces a corto, mediano y largo plazo. Potencia PMPO: Es una especificación de potencia común en equipos de consumo como radiograbadores o minicomponentes y representa una especie de valor pico durante un tiempo extremadamente corto (frecuentemente 10ms), dando valores mayores a la de la potencia pico máximo. Es importante aclarar que esta especificación es del altavoz y no del amplificador que lo alimenta, lo que puede dar falsas expectativas al 17 comprar un equipo. Se trata de una medida máxima en un corto tiempo, pues aunque un altavoz diga que alcanza, por ejemplo, 200 vatios P.M.P.O., generalmente su potencia real (RMS) es la mitad de lo que alcanza el pico; es decir, su potencia real seria de 100 vatios Potencia eléctrica a corto plazo (PMUS) : Especifica el máximo valor de la potencia con que puede trabajar el altavoz (sobre la impedancia nominal) sin que sufra daños permanentes, cuando se le excita con una señal de prueba que simula el espectro musical durante 1 segundo o más pero no pasa de un minuto. Potencia eléctrica a largo plazo (PNOM) Especifica el máximo valor de la potencia con que puede trabajar el altavoz (sobre la impedancia nominal) sin que sufra daños permanentes, cuando se le excita con una señal de prueba que simula el espectro musical durante 1 minuto; también a futuro hace mucho daño en el sentido auditivo. Potencia continúa senoidal: Específica el máximo valor de la potencia con que puede trabajar el altavoz (sobre la impedancia nominal) sin que sufra daños permanentes (mecánicos o térmicos), cuando se le excita con una señal senoidal continúa en una determinada banda de frecuencias. Potencia de ruido: Especifica el máximo valor de la potencia con que puede trabajar el altavoz (sobre la impedancia nominal) sin que sufra daños permanentes (mecánicos o térmicos), cuando se le excita con una señal ruidosa en alguna banda del espectro. Un parámetro importante (y muy relacionado con la potencia) de los altavoces es la eficiencia. La eficiencia es una medida del rendimiento de la transducción eléctrica-acústica. Es la relación de la potencia acústica del altavoz y la potencia eléctrica necesaria para ello: 18 La eficiencia de un altavoz nunca supera el 50% y generalmente es menor al 10%. En equipos domésticos (inclusive de alta calidad), la eficiencia es del orden de 0.5-1%. Afortunadamente, no se requiere una potencia acústica elevada para obtener un elevado volumen sonoro. 2.1.9.3 Impedancia La impedancia se define como la oposición al paso de la corriente alterna. En un altoparlante, o en toda carga inductiva-resistiva o capacitiva- resistiva, la impedancia difiere para cada frecuencia, por lo cual, los fabricantes publican curvas de impedancia. Estas curvas se encargan de mostrar la impedancia nominal del altoparlante, su impedancia mínima, así como sus características de resonancia. Usualmente se observa que un altoparlante de cono o diafragma al aire mostrará un pico de impedancia en la frecuencia de resonancia. Las impedancias normalizadas de los altavoces son 2, 3.2, 4, 6, 8, 16 y 32 ohmios, pero las más utilizadas son 4 en sonido automotriz, 6 para sistemas mini componentes, 8 para los sistemas de alta fidelidad, 16 para sistemas de sonido envolvente (surround) y auriculares. 2.1.9.4 Sensibilidad Es el grado de eficiencia en la transducción electroacústica. Es decir, mide la relación entre el nivel eléctrico de entrada al altavoz y la presión sonora obtenida. Suele darse en dB/W, medidos a 1 m de distancia y aplicando una potencia de 1 W al altavoz (2,83 V sobre 8 Ω). Los altavoces son transductores electroacústicos con una sensibilidad muy pobre. Esto se debe a que la mayor parte de la potencia nominal introducida en un altavoz se disipa en forma de calor. En los altavoces, a diferencia del micrófono, la sensibilidad no es un indicativo de “calidad sonora”, pues la práctica ha demostrado que altavoces de inferior sensibilidad producen mejor “coloración sonora”. 19 2.1.9.5 Rendimiento El rendimiento mide el grado de sensibilidad del altavoz. Es el tanto por cien que indica la relación entre la Potencia acústica radiada y la Potencia eléctrica de entrada. Potencia acústica / potencia eléctrica x 100. 2.1.9.6 Distorsión El altavoz es uno de los sistemas de audio que presenta mayor distorsión, por lo que los fabricantes no suelen suministrar al consumidor las cifras de distorsión de sus altavoces. La distorsión tiene causas muy variadas: flujo del entrehierro, vibraciones parciales, modulación de frecuencia sobre el diafragma, alinealidad de las suspensiones, etc. La mayor parte de la distorsión se concentra en el segundo y tercer armónico, por lo que afectará en mayor medida a los tonos graves. Se trata de una distorsión en torno al 10%. En las medias y altas frecuencias esta distorsión es proporcionalmente mucho menor y no llega al 1%, aunque en las gargantas de bocinas de alta frecuencia esta distorsión se dispara hasta un margen del 10-15%. 2.1.10 Directividad de altoparlantes Se encarga de indicar la dirección del sonido que genera el altoparlante, es decir, la forma bajo la cual el sonido es disipado en el entorno. Una de las principales características de la directividad es que esta no es constante para todos los valores de frecuencia ya que cuando se trata de frecuencias altas las características direccionales del parlante son mayores en comparación a cuando estos reproducen bajas frecuencias, en donde se presenta mayor omnidireccionalidad, es decir, igualdad radiación en todas las direcciones. La mejor forma de presentar la directividad de un altavoz es mediante un diagrama polar que normalmente puede ser recogido en las especificaciones dadas por el fabricante o bien sea puede ser medido. 20 Este diagrama es un esquema técnico que manifiesta la radiación del altavoz en el espacio en grados para cada punto de sus ejes vertical y horizontal. Principalmente los altoparlantes se presentan en dos tipos diferentes, los de radiación directa y los driver de compresión. Ambos poseen las características anteriormente mencionadas, pero su diferencia radica en la fabricación y el uso que pueden tener. La forma más gráfica de dar la directividad es mediante un diagrama polar, que normalmente es mostrado en las especificaciones, pues cada modelo tiene una respuesta concreta. Dependiendo de su directividad podemos decir que un cono de altavoz es: 2.1.10.1 Omnidireccional O No Direccional Radian igual en todas direcciones, es decir, en los 360º. Por la importancia de la frecuencia de resonancia del propio altavoz, es un diagrama polar muy poco utilizado en altavoces. Los altavoces que utilizan esta direccionalidad requieren de grandes cajas acústicas. Figura 6. Diagrama polar omnidireccional 21 2.1.10.2 Bidireccional. El diagrama polar tiene forma de ocho. Emiten sonido tanto por delante como por detrás, mientras que son prácticamente “mudos” en los laterales. Los ángulos preferentes se sitúan en torno a los 100º. Los diagramas polares bidireccionales no se utilizan demasiado por idénticas razones que los omnidireccionales: requieren de grandes cajas acústicas. Figura 7. Diagrama polar bidireccional 2.1.10.3 Unidireccionales Son los altavoces que emiten el sonido en una dirección muy marcada y son “relativamente muertos” en las otras. Dentro de los direccionales, los más utilizados son los cardioides. El altavoz cardioide se llama así porque su diagrama polar tiene forma de corazón, lo que se traduce en que radian hacia la parte frontal del micro y tienen un mínimo de sensibilidad en su parte posterior, donde se produce una atenuación gradual. El ángulo preferente lo alcanza en un ángulo de 160º. 22 Figura 8. Diagrama polar cardioide 2.1.11Factor Q Es una expresión matemática derivada de la directividad, la cual es resultante de comparar el nivel en el eje con el nivel medido de todos los puntos alrededor del altavoz. Las fuentes con una directividad específica poseen altos valores de Q, mientras que una fuente de tipo omnidireccional tiene un factor Q de 1. 2.1.12 Índice de directividad Es la unidad de dirección angular de la radiación sonora de un altavoz, este valor se presenta en nivel dB más alto o más bajo que si el sonido fuese producido por una fuente esférica. Su cálculo es realizado mediante la siguiente ecuación: DI = 10 * log(Q) Donde Q es el factor Q del altoparlante. 2.1.13 Tipos de Altavoces Altavoz dinámico o Altavoz de bobina móvil: La señal eléctrica de entrada actúa sobre la bobina móvil que crea un campo magnético que varía de sentido de acuerdo con dicha señal. Este flujo magnético interactúa con un segundo flujo magnético continuo generado normalmente por un imán permanente que forma parte del cuerpo del altavoz, produciéndose una 23 atracción o repulsión magnética que desplaza la bobina móvil, y con ello el diafragma adosado a ella. Al vibrar el diafragma mueve el aire que tiene situado frente a él, generando así variaciones de presión en el mismo, o lo que es lo mismo, ondas sonoras. Altavoz electrostático o Altavoz de condensador: Estos altavoces tienen una estructura de condensador, con una placa fija y otra móvil (el diafragma), entre las que se almacena la energía eléctrica suministrada por una fuente de tensión continua. Cuando se incrementa la energía almacenada entre las placas, se produce una fuerza de atracción o repulsión eléctrica entre ellas, dando lugar a que la placa móvil se mueva, creando una presión útil. Altavoz piezoeléctrico: En estos altavoces el motor es un material piezoeléctrico (poliéster o cerámica), que al recibir una diferencia de tensión entre sus superficies metalizadas experimenta alargamientos y compresiones. Si se une a una de sus caras un cono abocinado, éste sufrirá desplazamientos capaces de producir una presión radiada en alta frecuencia. Altavoz de cinta: El altavoz de cinta tiene un funcionamiento similar al altavoz dinámico, pero con diferencias notables. La más obvia, en lugar de bobina, el núcleo es una cinta corrugada. Pantalla infinita: Es un sistema de colocación para altavoces dinámicos, que consiste en integrar el altavoz en una gran superficie plana (por ejemplo, una pared) con un agujero circular en el centro (donde va alojado el cono del altavoz). Altavoz Bassreflex: Es un sistema de construcción de altavoces para mejorar la respuesta en bajas frecuencias. En una de las paredes de la caja se abre una puerta (orificio en forma de tubo) y todos los parámetros que afectan al volumen interno de la caja están previstos para que el aire en el interior del tubo resuene en una baja frecuencia determinada. 24 Radiador auxiliar de graves. Como el bass-reflex, su finalidad es proporcionar un refuerzo de graves. Se trata de un sistema similar al bassreflex pero en lugar de un simple orificio en forma de tubo convencional, este tubo se pliega en forma de laberinto. Altavoz de carga con bocina: La bocina es un cono alimentado por un motor que permite aumentar la señal eléctrica de entrada hasta en 10 dB a la salida, con lo que son muy empleadas cuando se requiere gran volumen sonoro. Altavoz activo. Tipo de altavoz caracterizado por el uso de filtros activos (digitales o analógicos), en lugar de filtros pasivos, para dividir el espectro de audiofrecuencia en intervalos compatibles con los transductores empleados. La señal es amplificada después de la división de frecuencias con un amplificador dedicado por cada transductor. Altoparlante de radiación directa. Básicamente un altoparlante de radiación directa funciona al hacer reaccionar con una señal eléctrica el campo magnético variable creado por el embobinado con el flujo magnético fijo producido por el imán. Este circuito en conjunto genera fuerzas con capacidad de mover la estructura móvil o más bien llamado el diafragma del altoparlante, se encarga de transmitir una variación de presión sonora mucho mayor al medio. 2.1.14 Driver de compresión Los driver de compresión o también llamadas bocinas se encargan de “combinar la alta eficiencia de un diafragma de grandes dimensiones con la masa reducida de un pequeño altavoz. Este efecto se produce acoplando el pequeño diafragma a una superficie radiante a través de un tubo de sección creciente. Por esta razón, la familia de bocinas, al 25 contrario que los altavoces, encuentran dentro del grupo de altavoces de radiación directa y permiten alcanzar eficiencias del 10 al 50%.” 5 2.1.15 Protocolos de comunicación 2.1.15.1 Puerto serie Puerto serie es una interfaz de comunicaciones de datos digitales, utilizado por computadoras y periféricos, en donde la información es transmitida bit a bit enviando un solo bit a la vez, en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits simultáneamente. Figura 9. Conector DB9 Serial 6 A lo largo de la mayor parte de la historia de las computadoras, la transferencia de datos a través de los puertos de serie ha sido generalizada. Se ha usado y sigue usándose para conectar las computadoras a dispositivos como terminales o módems. Los mouse, teclados, y otros periféricos también se conectaban de esta forma. Mientras que otras interfaces como Ethernet, FireWire, y USB mandaban datos como un flujo en serie, el término "puerto de serie" normalmente identifica el hardware más o menos conforme al estandarte municipal RS232, diseñado para interactuar con un módem o con un dispositivo de comunicación similar. 5 PUEO ORTEGA Basilio y ROMÁ ROMERO Miguel. Electroacústica, altavoces y micrófonos. Barcelona: Pearson, 2003. p.12. 6 Fuente: http://www.markallen.com/teaching 26 En muchos periféricos la interfaz USB ha reemplazado al puerto de serie —en 2007, la mayor parte de las computadoras están conectadas a dispositivos a través de USB, y a menudo ni siquiera tienen un puerto de serie. El puerto de serie se omite para reducir los costes y se considera que es un puerto heredado. Sin embargo, los puertos de serie todavía se encuentran en sistemas de automatización industrial y algunos productos industriales y de consumo respeto. Los dispositivos de redes (como routers y switches) a menudo tienen puertos de serie para la configuración. Los puertos de serie se usan a menudo en estas áreas porque son sencillos, baratos y permiten la interoperabilidad entre dispositivos. La desventaja es que configurar conexiones de serie puede requerir el conocimiento de un experto y el uso de mandatos complejos si están mal implementados. Puerto serie tradicional: el puerto serie RS-232 (también conocido como COM) utiliza cableado simple desde 3 hilos hasta 25 y conecta ordenadores o microcontroladores a todo tipo de periféricos, desde terminales a impresoras y módems pasando por ratones. La interfaz entre el RS-232 y el microprocesador generalmente se realiza mediante el integrado 82C50. El RS-232 original tenía un conector tipo D de 25 pines, sin embargo la mayoría de dichos pines no se utilizaban, por lo que IBM incorporó desde su PS/2 un conector más pequeño de solamente 9 pines que es el que actualmente se utiliza. En Europa la norma RS-422 de origen alemán es también un estándar muy usado en el ámbito industrial. Puertos serie modernos Uno de los defectos de los puertos serie iniciales era su lentitud en comparación con los puertos paralelos -hablamos de 19.2 kbits por segundo- sin embargo, con el paso del tiempo, están apareciendo 27 multitud de puertos serie de alta velocidad que los hacen muy interesantes ya que utilizan las ventajas del menor cableado y solucionan el problema de la velocidad con un mayor apantallamiento y más barato usando la técnica del par trenzado. Por ello, el puerto RS-232 e incluso multitud de puertos paralelos están siendo reemplazados por nuevos puertos serie como el USB, el Firewire o el Serial ATA. Tipos de comunicaciones seriales Simplex En este caso el transmisor y el receptor están perfectamente definidos y la comunicación es unidireccional. Este tipo de comunicaciones se emplean usualmente en redes de radiodifusión, donde los receptores no necesitan enviar ningún tipo de dato al transmisor. Duplex, half duplex o semi-duplex En este caso ambos extremos del sistema de comunicación cumplen funciones de transmisor y receptor y los datos se desplazan en ambos sentidos pero no simultáneamente. Este tipo de comunicación se utiliza habitualmente en la interacción entre terminales y un computador central. Full Duplex El sistema es similar al duplex, pero los datos se desplazan en ambos sentidos simultáneamente. Para ello ambos transmisores poseen diferentes frecuencias de transmisión o dos caminos de comunicación separados, mientras que la comunicación semi-duplex necesita normalmente uno solo. Para el intercambio de datos entre computadores este tipo de comunicaciones son más eficientes que las transmisiones semi-duplex. 2.1.15.2 Puerto paralelo Un puerto paralelo es una interfaz entre una computadora y un periférico cuya principal característica es que los bits de datos viajan juntos 28 enviando un byte completo o más a la vez. Es decir, se implementa un cable o una vía física para cada bit de datos formando un bus. El cable paralelo es el conector físico entre el puerto paralelo y el dispositivo periférico. En un puerto paralelo habrá una serie de bits de control en vías aparte que irán en ambos sentidos por caminos distintos. En contraposición al puerto paralelo está el Puerto serie, que envía los datos bit a bit por el mismo hilo. Figura 10. Un puerto paralelo de impresora en la parte trasera de un portátil Compaq N150 7. Puerto paralelo Centronics El puerto paralelo más conocido es el puerto de impresora (que cumplen más o menos la norma IEEE 1284, también denominados tipo Centronics) que destaca por su sencillez y que transmite 8 bits. Se ha utilizado principalmente para conectar impresoras, pero también ha sido usado para programadores EPROM, escáneres, interfaces de red Ethernet a 10 MB, unidades ZIP y SuperDisk y para comunicación entre dos PCs (MSDOS trajo en las versiones 5.0 ROM a 6.22 un programa para soportar esas transferencias). El puerto paralelo de las computadoras, de acuerdo a la norma Centronic, está compuesto por un bus de comunicación bidireccional de 8 bits de 7 Fuente: http://amp.bc.inter.edu/Modulos/Configuracion_PC/puertos/puerto_paralelo_hembra.jpg 29 datos, además de un conjunto de líneas de protocolo. Las líneas de comunicación cuentan con un retenedor que mantiene el último valor que les fue escrito hasta que se escribe un nuevo dato, las características eléctricas son: Tensión de nivel alto: 3.3 o 5 V. Tensión de nivel bajo: 0 V. Intensidad de salida máxima: 2.6 mA. Intensidad de entrada máxima: 24 mA. El sistema operativo gestiona las interfaces de puerto paralelo con los nombres LPT1, LPT2 y así sucesivamente, las direcciones base de los dos primeros puertos es: LPT1 = 0x378. LPT2 = 0x278 La estructura consta de tres registros: de control, de estado y de datos. El registro de control es un bidireccional de 4 bits, con un bit de configuración que no tiene conexión al exterior, su dirección en el LPT1 es 0x37A. El registro de estado, se trata de un registro de entrada de información de 5 bits, su dirección en el LPT1 es 0x379. El registro de datos, se compone de 8 bits, es bidireccional. Su dirección en el LPT1 es 0x378. Puerto paralelo IDE No obstante existe otro puerto paralelo usado masivamente en los ordenadores: el puerto paralelo IDE, también llamado PATA (Paralell ATA), usado para la conexión de discos duros, unidades lectoras/grabadoras (CD-ROM, DVD), 30 unidades magneto-ópticas, unidades ZIP y SuperDisk, entre la placa base del ordenador y el dispositivo. Puerto paralelo SCSI Un tercer puerto paralelo, muy usado en los ordenadores Apple Macintosh y en servidores, son las diferentes implementaciones del SCSI. Al igual que IDE ha sido usado para la conexión de discos duros, unidades ópticas lectoras/grabadoras (CDROM, DVD), unidades magneto-ópticas y [ y SuperDisk, pero también de otros dispositivos como escáneres. 2.1.16 Micro-controlador Un micro-controlador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Figura11.Microcontrolador Motorola 68HC11 y chips de soporte 8. Son diseñados para disminuir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. 8 http://usuarios.lycos.es/hardwaresoftware/200px-MC68HC11_microcontroller.jpg 31 Figura 12. Esquema de un micro-controlador 9. Los micro controladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc. Un micro controlador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información. Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos 9 Fuente : http://insectrobots.blogia.com/upload/20090214180203-400px-microcontrolador.jpg 32 pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos micro-controladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito. Los micro-controladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el micro-controlador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería. 2.1.17 Los PICS Los 'PIC' son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. Figura 13. PIC 10 El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). 10 http://www.instructables.com 33 El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva UCP de 16 bits CP16000. Siendo en general una buena UCP, ésta tenía malas prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la UCP. El PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del oscilador. El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC, cuyo número puede variar desde 35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep. Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware llamado MPLAB que incluye un simulador software y un ensamblador. Otras empresas desarrollan compiladores C y BASIC. Microchip también vende compiladores para los PICs de gama alta ("C18" para la serie F18 y "C30" para los dsPICs) y se puede descargar una edición para estudiantes del C18 que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de evaluación. Para Pascal existe un compilador de código abierto, JAL, lo mismo que PicForth para el lenguaje Forth. GPUTILS es una colección de herramientas distribuidas bajo licencia GNU que incluye ensamblador y enlazador, y funciona en Linux, MacOS y Microsoft Windows. GPSIM es otra herramienta libre que permite simular diversos dispositivos hardware conectados al PIC. 2.1.17.1 PICs usados comúnmente •PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador interno, popular en pequeños diseños como el iPod remote) 34 •PIC16F84 (Considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular) •PIC16F84A (Buena actualización del anterior, algunas versiones funcionan a 20 MHz, compatible 1:1) •PIC12F629/675 •PIC16F628 •PIC16F88 (Nuevo sustituto del PIC16F84A con más memoria, oscilador interno, PWM, etc que podría convertirse en popular como su hermana menor) •La familia PIC16F87X y PIC16F87XA •PIC18F2455 y similares con puerto USB 2.0 •PIC18F2550 •PIC18F452 •PIC18F4550 •dsPIC30F3011 (Ideales para control electrónico de motores eléctricos de inducción) •PIC32 (Nueva gama de PIC de 32 bits) En el desarrollo de este proyecto se utilizara el pic16f877A puesto que debido a sus características se acopla perfectamente en las aplicaciones requeridas para el proceso de comunicación serial entre la parte mecánica y la etapa de software. 2.1.17.2 Programación del PIC Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs que Microchip distribuye hoy en día incorporan ICSP (In Circuit Serial Programming, programación serie incorporada) o LVP (Low Voltage Programming, 35 programación a bajo voltaje), º permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Para la ICSP se usan los pines RB6 y RB7 como reloj y datos y el MCLR para activar el modo programación aplicando un voltaje de unos 11 voltios. Existen muchos programadores de PICs, desde los más simples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hardware casi todas las funcionalidades. Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PICs preprogramados como interfaz para enviar las órdenes al PIC que se desea programar. Uno de los programadores más simples es el TE20, que utiliza la línea TX del puerto RS232 como alimentación y las líneas DTR y CTS para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo programación. El software de programación puede ser el ICprog, muy común entre la gente que utiliza este tipo de microcontroladores. Programadores •PICStart Plus (puerto serie y USB) •Promate II (puerto serie) •MPLAB PM3 (puerto serie y USB) •ICD2 (puerto serie y USB) •PICKit 1 (USB) •IC-Prog 1.06B •PICAT 1.25 (puerto USB2.0 para PICs y Atmel) •WinPic 800 (puerto paralelo, serie y USB) •Terusb1.0 • • ICD (Serie) ICD2 (USB) 36 Emuladores • Proteus - ISIS • ICE2000 (puerto paralelo, convertidor a USB disponible) • ICE4000 (USB) • PIC EMU • PIC CDlite Tamaño de palabra El tamaño de palabra de los microcontroladores PIC es fuente de muchas confusiones. Todos los PICs (excepto los dsPIC) manejan datos en trozos de 8 bits, con lo que se deberían llamar microcontroladores de 8 bits. Pero a diferencia de la mayoría de UCPs, el PIC usa arquitectura Harvard, por lo que el tamaño de las instrucciones puede ser distinto al de la palabra de datos. De hecho, las diferentes familias de PICs usan tamaños de instrucción distintos, lo que hace difícil comparar el tamaño del código del PIC con el de otros microcontroladores. Por ejemplo, un microcontrolador tiene 6144 bytes de memoria de programa: para un PIC de 12 bits esto significa 4096 palabras y para uno de 16 bits, 3072 palabras. 2.1.18 Motor eléctrico Los motores eléctricos son dispositivos capaces de convertir la energía eléctrica en mecánica y mecánica en eléctrica. Esto aclara que el motor eléctrico cambia de nombre, por el de “generador”, cuando realiza la última conversión utilizada. Es este un buen recurso para corroborar el principio de conservación de la energía y continuamente destacar los innumerables usos que pueden tener este tipo de conversión. Por esta razón, los motores eléctricos son constantemente utilizados en instalaciones industriales y demás labores electromecánicas que no requieran autonomía en su fuente de alimentación; ya que la energía eléctrica es difícil de almacenar. Como ejemplo de esta situación se tiene 37 que varios kilos equivalentes en una batería son lo mismo que 80 gramos de gasolina. Esta es ahora una de las razones de la nueva aparición de los vehículos híbridos, los cuales aprovechan las ventajas de ambas situaciones. Ventajas: Se encontró que en la mayoría de circunstancias, las ventajas hacen una leve comparación a los motores de combustión. Reducción de tamaño peso y potencia. Pueden ser construidos de cualquier tamaño. Tiene un par de giro elevado y prácticamente constante, según el tipo de motor. Posee rendimiento elevado, aproximadamente al 80% con posibilidades de aumento a medida que se incrementa la potencia. 2.1.19 Motores de paso El motor de paso es un elemento mecánico, utilizado para la construcción de mecanismos que requieran movimientos muy precisos. A diferencia de los normales, los motores paso a paso tienen la posibilidad de estacionarse en un punto, lo que quiere decir que estos motores no giran en un solo sentido. Para lograr estacionarse, los motores de paso activan o desactivan las bobinas requeridas en el orden específico de la serie de accionamientos. A este orden de accionamientos se le conoce como pasos; que en resumidas cuentas es la base dinámica de dichos motores. Así como son mencionadas sus ventajas, los motores de paso presentan inconvenientes. A la hora de mantener su posición, los motores de paso requieren consumir energía constante; además si se les aplica una fuerza mayor, perderá su orden de posición. 38 El motor de paso tiene dos componentes o partes principales: el estator, quien rodea el eje principal, sosteniendo las bobinas y el rotor quien será el encargado de girar según las variaciones de carga. Cada estator varía según el número de bobinas que contenga. 2.1.20 Motores de corriente continúa Existen diversos tipos de motores de corriente continua, clasificados según la forma como estén conectados: Motor serie Motor compound. Motor shunt. Motor eléctrico sin escobillas. Los motores eléctricos mencionados anteriormente son motores de alto rendimiento y potencia. A continuación se mencionarán los motores de más baja potencia pero con el mismo rendimiento, utilizados en electrónica. Motor paso a paso. Servomotor. Motor sin núcleo. 2.1.21 Introducción de reductores y motorreductores Las funciones electromotrices son variadas a medida que se juega con los tipos de actividades que cumplen los motores mencionados. Para los siguientes ítems contextuales, se tiene que la relación de entrada en RPM es modificada en la salida; así que en esta labor 39 se emplean los reductores y motorreductores, los cuales estarán presentados a continuación. 2.1.22 Reductores y Motorreductores Los reductores o motorreductores son utilizados para disminuir la velocidad del motor de forma eficiente y segura, transmitiendo además su fuerza generada por correas, trenes de engranajes y cadenas, que generalmente presentan inconvenientes. Beneficios sobre las formas de reducción: Regularidad en velocidad y potencia Eficiencia entre la potencia suministrada y la transmitida. Reducen costos de mantenimiento, aportando mayor seguridad en transmisión. Ahorro de espacio Menor tiempo de instalación. Generalmente, los motorreductores se acoplan a un motor eléctrico cerrado y asincrónico, refrigerado por ventilador con posibilidad de conexión para redes trifásicas de 220/440 voltios y 60 Hz. La protección de los motorreductores se efectúa a partir de un guarda motor que limita la intensidad y un relé térmico de sobrecarga. Las placas de identificación del motor, llevan grabados los datos nominales del mismo. Una guía para la elección del tamaño de un motorreductor son: Características de operación: Potencia de entrada y de salida 40 Velocidad, dada en RPM, (diferente en la entrada como en la salida) Torque máximo en la salida Relación de reducción. Características del trabajo a realizar: Tipo de máquina, (si el motor es eléctrico o a gasolina, etc.). Tipo de acople entre la maquina motriz y el motorreductor. Tipo de carga. Tiempo de duración en servicio. Arranques por hora o inversión de marcha. 41 3. METODOLOGÍA 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El desarrollo de este proyecto se llevó a cabo mediante una metodología empírico analítica orientando el trabajo al contraste permanente de la teoría con la verificación experimental. En el diseño y construcción de la mesa giratoria fue de vital importancia tener en cuenta toda la teoría mecánica de movimiento circular uniforme, torques, materiales, distribución de fuerzas, etc.; aplicarlas al diseño contrastando los cálculos matemáticos con la experimentación indagado hacia la solución más confiable y práctica para la solución del problema. Asimismo la programación necesaria para el desarrollo del software y la electrónica de microcontroladores; nos llevó a analizar los diferentes caminos que se pueden tomar y ensayar para el correcto funcionamiento y desarrollo del dispositivo. 3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA Adoptando el enfoque de investigación de la universidad de San buenaventura, se sitúa el actual proyecto en la línea de tecnologías actuales y sociedad, buscando proveer una ayuda y mejoramiento en la solución del problema planteado al que se ven expuestos todos aquellos que de una forma u otra necesitan realizar mediciones de patrón polar de altavoces. Por esta razón se realiza una contextualización de las tecnologías en diferentes áreas con el fin de efectuar las adaptaciones requeridas en la solución de dicho problema y satisfacer las necesidades de quienes lo padecen. 42 De igual forma la sub-línea de investigación a la que se adhiere el proyecto es la de procesamiento de señales digitales y/o analógicas abordando el diseño y construcción de un dispositivo que garantice facilitar la forma de adquirir información a partir de señales externas, su almacenamiento, manejo matemático y posterior visualización. En último lugar se suscribe el proyecto en el campo de diseño de sistemas de sonido, puesto que se genera una solución a un problema práctico de medición, desarrollando un dispositivo aplicable a un sistema radiante y haciendo un análisis a través de un método de captación sonora junto con un estudio de los parámetros electro acústico del sistema. 3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN La recolección de información del proyecto aquí desarrollado realiza con dos instrumentos diferentes de medición. Uno es un sonómetro svantek tipo 2 con un micrófono de captación tipo I cuyas principales características se mencionan a continuación: Figura 14. Sonómetro Svantek, Modelo: 943ª 11 11 http://www.svantek.cl/943B.htm 43 Principales Características: • Medidor de nivel sonoro tipo 2 con micrófono tipo 1 • Filtros de 1/1 y 1/3 octava • Dosímetro para salud ocupacional • Opciones de fft, tonalidad y rt • Tres detectores totalmente programables (perfiles) • Filtros a / c / lin (z) / usuario (3) • Constantes de tiempo slow / fast / impulse • Memoria de 8 mb (hasta 48 mb) • Buffer programable desde 1ms hasta 1h • Ciclo de medición programable • remoteable via modem • spl, leq, sel, peak, max, min, ltm3, ltm5, • Percentiles (ln) e historia temporal para cada detector • 8 horas de autonomía con batería interna • iec 651, iec 804 y iec 61672-1 Los micrófonos de medición de la universidad de San Buenaventura Berhinger Ecm8000 cuyas características son estas: Figura 15. Micrófono de medición ECM8000 12 12 http://www.behringer.com/en/products/ecm8000.aspx 44 La respuesta de frecuencia lineal del ECM8000 y el diagrama polar omnidireccional le permite realizar las tareas de medición y alineación con el mínimo problema y la máxima precisión. La interfaz de audio utilizada es la Maudio Fast Track Pro Por ser una interfaz con bajo nivel de ruido, con una respuesta en frecuencia bastante plana y compatible con matlab. Figura 16. Interfaz de audio MAUDIO, Fast Track Pro 13 Características Interfaz de audio a 24 bits/44.1kHz 2 entradas de preamplificación de micro/instrumento en el panel frontal (conectores híbridos Neutrik XLR/TRS ¼”) con: Controles de ganancia Alimentación phantom Indicadores de señal/pico Atenuación para cada entrada 13 http://la.m-audio.com/products/es_la/FastTrackPro.html 45 Conector de inserción (TRS ¼”) para procesadores externos 2 salidas balanceadas (TRS¼”) 4 salidas no balanceadas (RCA) 2 x 2 entradas/salidas digitales S/PDIF con 2 canales PCM La salida S/PDIF también permite transferir contenidos surround con codificación AC-3/DTS 1 x 1 entrada/salida MIDI con LEDs indicadores de actividad Salida de auriculares (TRS ¼”) con control de nivel Conmutador de fuente A/B de auriculares para aplicaciones de DJ Control de mezcla de entrada/reproducción para monitorización hardware directa Conmutador mono para monitorización directa de entrada/reproducción Control de nivel de salida master Monitorización hardware directa con latencia casi inexistente Monitorización software ASIO de baja latencia Conexión USB con la computadora Alimentación a través del puerto USB o con un alimentador de CA opcional 3.4 HIPÓTESIS A través de elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos es posible construir una mesa giratoria automática, donde se ubique la fuente sonora. Dicha mesa es manipulada mediante un software donde el usuario define los parámetros de rotación y tiempo de duración en cada punto de medición y da la orden de que inicie el proceso de medición, durante el cual el software adquieren los datos, y los almacena para su 46 posterior análisis e interpretación grafica; disminuyendo de esta manera los errores sistemáticos producidos por el hombre en dichas mediciones y proporcionando una mayor exactitud en los resultados finales de la medición. 3.5 VARIABLES 3.5.1 Variables Independientes • Velocidad de transmisión de datos 3.5.2 Variables Dependientes • Velocidad de rotación de la mesa giratoria. • Tipo de micrófono para medición del nivel sonoro. • Materiales y elementos de construcción. • Peso de altoparlantes y cabinas. • protocolo de comunicación de datos. • Lenguaje de programación del software. 4. DESARROLLO INGENIERIL 47 El desarrollo de este proyecto está claramente dividido en tres etapas específicas: mecánica, electrónica y programación, cada una de ellas cumple con una función específica dentro del todo del sistema pero se trabaja de una forma independiente. Para entender el sistema en su totalidad se procede a presentar el sistema con un diagrama de cada parte. 4.1 Etapa mecánica La forma como se encuentra distribuido el sistema mecánico se muestra en el siguiente diagrama, allí se aprecia las partes que componen el sistema. El sistema está pensado como un sistema de un horno microondas donde una superficie principal gira apoyada en unos rodillos; en este caso cuatro rodamientos ubicados de forma que soporten el peso de la cabina que se 48 va a colocar encima de ellos. En el centro se encuentra ubicado un rodamiento que permite el giro de la superficie junto con el peso de la cabina que lleva encima. En la superficie redonda, que es la que gira, se encuentran 360 pines de una longitud media de 2 cm ubicados espacialmente cada grado y un pin más grande ubicado especialmente para que al colocarse la pesa en el punto cero este cierre un swich de final de carrea del que se hablará más adelante. La forma en la que se mueve la superficie que soporta el peso está dada por el rozamiento de un moto-reductor ubicado en un extremo de la misma. Este moto-reductor se apoya a través de un sistema de posición dentro de un par de canales donde se puede ajustar la posición del motor horizontal y verticalmente. Este motor recibe la orden de moverse o detenerse a través de un circuito que le envía o le corta una señal de 12 voltios. A continuación se procede a realizar el diseño del sistema mecánico. Figura 17. Sistema mecánico 49 Figura 18-19. Sistema mecánico 4.1.1 Despiece del sistema mecánico Seguidamente se muestra el modelo a construir especificando cada pieza del sistema y su función así como los planos de diseño 4.1.1.1 Base La base del sistema es una lámina de hierro sostenida por seis soportes en ángulo cuya función es la de mantener todo el sistema, sobre ella se ubican: el rodamiento principal, los soportes de la superficie giratoria, los soportes del motor y las bases de los elementos electrónicos dispuestos para realizar el conteo de los grados. Figura 20. Plano Base 50 Figuras 21, 22. Diseño de la base del sistema mecánico. 4.1.1.2 Rodamiento principal El rodamiento es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste, sirviéndole de apoyo y facilitando su desplazamiento. Se ubica en el extremo curvo de la mesa giratoria, su función es la de permitir el movimiento del sistema y ayudar en el soporte del peso. 30 O Figura 23. Plano del rodamiento principal 51 50 Figura 24. Diseño del rodamiento principal 4.1.1.3 Superficie Giratoria Se trata de una lámina en hierro de forma circular Con un diámetro de 60 cm, posee en el centro una reducción de sección en forma avellanada para permitir que encaje en el rodamiento principal, cuenta además con 360 pines distribuidos de forma equidistante en la superficie quienes equivalen cada uno a un grado. Por último un pin de mayor tamaño colocado a cierta distancia del borde de la superficie diseñado para calibrar el sistema al punto cero, es decir, este pin será el que cierre el swich de calibración cuando la mesa se encuentre en el punto cero. Vale la pena aclarar que el pin no está en el punto cero sino que calibra la mesa en ese punto. O O 600 70 0 O 60 O 50 Figura 25. Plano de la superficie giratoria 52 Figura 26-27. Superficie giratoria en plano abierto y en detalle 4.1.1.4 Rodamientos de soporte para la superficie giratoria Se encuentran distribuidos debajo de la superficie giratoria 4 rodamientos sujetos a la base principal. Al igual que el rodamiento principal estos ayudan en el sostenimiento de la misma y en distribución de las fuerzas que actúan sobre ella al colocar la cabina o bafle encima, facilitando de este modo el movimiento y disminuyendo el trabajo que debe realizar el 3 motor. 30 1 3,2 R 15 O 15 8 O 30 30 20 20 30 4 O1 3 Figura 28. Plano de la base y el rodamiento de soporte de la superficie giratoria. 53 Figura 29-30. Diseño de los rodamientos de soporte y su ubicación en la base del sistema. 4.1.1.5 Soporte Motor En la parte del costado se encuentra ubicada una lámina con unos rieles en los que se coloca por medio de dos tornillos una pieza de forma circular que sirve como una especie de abrazadera para la ubicación del motor. El acople de estas dos pieza permite el movimiento y la acomodación correcta del motor de forma horizontal, para acercarlo o alejarlo de la superficie giratoria y de forma vertical para cuadrar la altura del motor. 84,53 R5 30 35 O 70 O 6,65 78,42 78,76 R 15 58,83 O O 2 5,9 20 73,86 4 84,53 70 Figura 31. Plano del soporte del motor. 54 Figura 32-33. Elemento cilíndrico donde se ubica el motor. Rieles de ubicación del motor en el eje horizontal. Figura 34. Acople del sistema de soporte del motor 55 4.1.1.6 Base para elementos electrónicos Se sitúan debajo de la superficie giratoria dos bases hechas en aluminio para ubicar los elementos electrónicos correspondientes a la tarea de calibración y conteo de grados. 25 10 10 30 30 20 O5 10 23 25 Figura 35. Plano de base para elementos electrónicos. Figura 36-37. Diseño de base para elementos electrónicos. Ubicación en la base principal del sistema. 56 4.1.1.7 Motor El motor utilizado es un motorreductor que se ubica en el soporte ya mencionado y cuya función es la de mover todo el sistema. Aunque se muestran los planos de este no significa que el mismo haya sido construido; se adquirió en el mercado, el diseño se realizó para 34 28 complementar el modelo del sistema mecánico. 13 10 38 32,26 O 34 2 O2 Figura 38-39. Plano del motorreductor. Diseño del motorreductor 57 4.2 Etapa de electrónica En el desarrollo de este proyecto es necesario implementar una interfaz de comunicación entre la parte mecánica y el computador para el control del sistema. Esta interfaz de comunicación se implementa con un circuito electrónico que comunica las dos partes La etapa electrónica cumple la función de unir el software y la mesa giratoria El circuito posee dos divisiones principales la primera es la de control y la segunda la de potencia, estos dos se unen por medio de cables Diagrama general de la electrónica utilizada para el diseño del circuito a implementar en el desarrollo de la interfaz de comunicación. 58 El anterior diagrama revela el modo del funcionamiento del circuito, comienza con una señal enviada desde el computador por medio del puerto serial al circuito de control al recibir dicha señal este activa un el programa del pic16f877A el cual envía señal de movimiento al motor mediante un circuito de potencia, al mismo tiempo un opto acoplador de herradura envía la señal de pulsos que utiliza el pic para llevar a cabo el conteo de los grados. Como se menciono anteriormente este circuito se divide en dos partes la de control y conteo y la de potencia donde se alimenta el motor, a continuación se procede a explicar en detalle las partes y funcionamiento del circuito desarrollado para la implementación de la interfaz de comunicación. 4.2.1 Circuito de control Es la parte central de la interfaz de comunicación se comunica con el computador y con la parte de movimiento del sistema mecánico. El circuito se fundamenta en el uso del pic16f1877a de microchip y se comunica a través del puerto serie del computador, sin embargo ya que un microcontrolador trabaja con niveles de voltaje TTL y el puerto serie trabaja con niveles de voltaje de acuerdo a la norma RS232 se hace imposible realizar una conexión “directa” de un microcontrolador al puerto serie de la computadora (Ver tabla 1). Por ello se hace necesario implementar un modulo adaptador de RS232 a TTL, que sea capaz de convertir los niveles de voltaje de RS232 a TTL para realizar una transmisión de datos (desde la computadora) y de TTL a RS232 para realizar una recepción de datos (desde el microcontrolador). 59 Entrada TTL Salida 0 0V-0,8V 1 2V-5V 0 0V-0,4V 1 2,4V-5V 0 -3V-15V +3V RS232 Entrada 1 /+15V 0 +5V/15V -5V/- Salida 1 15V Tabla1. Niveles de voltaje TTL y RS232 A) Max232 Figura 40. Circuito integrado Max 232 14 Con este propósito se utiliza el MAX232, un circuito integrado que realiza esta tarea adecuadamente. Para su correcto funcionamiento sólo requiere de cuatro capacitores electrolíticos y una fuente de alimentación de 5V. 14 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Max232.jpg 60 Figura 41. Especificación de los pines y construcción del circuito integrado Max 232 15 Como se menciono anteriormente el MAX232 soluciona la conexión necesaria para lograr comunicación entre el puerto serie de una PC y cualquier otro circuito con funcionamiento en base a señales de nivel TTL/CMOS.El circuito integrado posee dos conversores de nivel TTL a RS232 y otros dos que, a la inversa, convierten de RS232 a TTL, estos conversores son suficientes para manejar las cuatro señales más utilizadas del puerto serie del PC, que son TX, RX, RTS y CTS. TX es la señal de transmisión de datos, RX es la de recepción, y RTS y CTS se utilizan para establecer el protocolo para el envío y recepción de los datos. Teniendo este integrado ya se hace posible la comunicación entre el puerto serie del pc y el microcontrolador. 15 Fuente: Max 232 Data Sheet 61 B) Pic 16f877A Figura 42. Microcontrolador PIC16f877A 16 Figura 43. Especificación de los pines del microcontrolador PIC16f877A 17 El Pic16f877A es el encargado de llevar acabo todo el manejo de control y conteo mediante un programa impreso en él, dicho programa se explicará más adelante en la etapa de programación. El microcontrolador PIC16F877A posee varias características importantes que lo hacen un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser empleado en el desarrollo del presente proyecto estas son: - Soporta modo de comunicación serial. - Amplia memoria para datos y programa. 16 Fuente: http://www.hvwtech.com/products/7/28000_PV.jpg 17 Fuente: Data sheet 62 - Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la “F” en el modelo). - Set de instrucciones reducido (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. Las características generales del micro controlador se muestran en el anexo A. Descripción de los puertos: Puerto A: • Puerto de e/s de 6 pines • RA0 y AN0 • RA1 y AN1 • RA2, AN2 y Vref- • RA3, AN3 y Vref+ • RA4 (Salida en colector abierto) y T0CKI(Entrada de reloj del modulo Timer0) • RA5 RA5, AN4 y SS (Selección esclavo para el puerto serie síncrono) Puerto B: • Puerto e/s 8 pines • Resistencias pull-up programables • RB0 Interrupción externa • RB4-7 Interrupción por cambio de flanco • RB5-RB7 y RB3 programación y debugger in circuit Puerto C: • Puerto e/s de 8 pines • RC0 RC0, T1OSO (Timer1 salida oscilador) y T1CKI (Entrada de reloj del modulo Timer1). • RC1-RC2 PWM/COMP/CAPT • RC1 T1OSI (entrada osc timer1) 63 • RC3-4 IIC • RC3-5 SPI • RC6-7 USART Puerto D: • Puerto e/s de 8 pines • Bus de datos en PPS (Puerto paralelo esclavo) • Puerto E: • Puerto de e/s de 3 pines • RE0 y AN5 y Read de PPS • RE1 y AN6 y Write de PPS • RE2 y AN7 y CS de PPS La descripción de los pines se encuentra en el anexo B. En la interfaz de comunicación aquí implementada se utilizan los puertos RB como entrada utilizando el pin 33 para el ingreso de los pulsos de conteo de grados enviados desde un optoacoplador de herradura yel pin 40 como entrada de la señal de punto cero de la mesa, dicha señal es enviada desde un swich de final de carrera que se cierra al ubicarse la mesa en el punto inicial. Los pines 24 y 25 se utilizan para el envío y recepción de datos desde y hacia el computador por medio del max 232. Los otros pines utilizados son los necesarios para el correcto funcionamiento del microcontrolador. 64 C) Opto acoplador de herradura Figura 44. Optoacoplador de herradura Un optoacoplador, es un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado mediante la luz. La mencionada luz es emitida por un diodo LED que satura un componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. El optoacoplador de herradura se encarga de enviar la señal de pulsos al pic para su conteo. Dichas señales se dan gracias a la interrupción causada por los pines de la mesa giratoria que interrumpen la señal de luz propia del optoacoplador. Este circuito se alimenta por una batería de 9 voltios, un regulador de voltaje 78M05 que se utiliza para la regulación del voltaje a 5v y un condensador para estabilizar la carga. 4.2.2 Circuito de potencia El circuito de potencia difiere con el de control ya que requiere una fuente de voltaje de 12 voltios dc. Estas fuentes separadas se hace necesario utilizarlas puesto que al ser un sistema que requiere alta precisión se hace susceptible a cualquier ruido eléctrico lo que altera el buen funcionamiento del sistema de conteo de grados. 65 De el pic salen conectores hacia la parte de potencia a un opto acoplador Dmct6, este optoacoplador cumple la función de proteger el circuito de corriente hacia el circuito de control. Figura 45-46 Optoacoplador encapsulado MCT6. Diseño típico con optoacoplador Este circuito de potencia está compuesto por un amplificador operacional 2n2222, un transistor bipolar NPN de baja potencia que puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias, sin embargo sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio vatio), por lo que se hace necesaria la implementación de una etapa amplificadora, usando un transistor de potencia TIP 31C, el cual por sus cualidades permite manejar las corrientes que el motor necesita para su funcionamiento. Figura 47. Tip31C Transistor de Potencia 18 18 Fuente: http://www.deretna.com/vb/attachment.php?attachmentid=16960&d=1228629862 66 El siguiente es el diagrama detallado del circuito implementado en el desarrollo de la interfaz de comunicación entre el computador y la mesa. Figura 48. Plano del circuito electrónico utilizado en la interfaz de comunicación. 67 4.3 Etapa de programación En tercera medida se implementa la parte de programación del proyecto, el siguiente esquema muestra los requerimientos de software que se requieren. La etapa de programación para el desarrollo de este proyecto se divide en dos, el primero es un pequeño programa diseñado para el conteo de los grados que se utiliza en el pic16f877A y la segunda es un programa desarrollado para la recepción de señal del altavoz el guardado de datos y la gráfica. 4.3.1 Programación del PIC16f877A La programación del microcontrolador se llevo a cabo en el software picC que es un software dispuesto para este propósito y mediante el cual se puede realizar el acoplamiento del microcontrolador y el software Matlab. 68 A continuación se enumera la secuencia del programa que ejecuta el microcontrolador 1. Establece las condiciones iníciales del programa: Librerías del programa a utilizar, velocidad de trasmisión de datos parámetros de, establecimiento de pines de entrada y salida. 2. define las variables dato, cont. 3. Se crea una subrutina de interrupción, esta es un contador. 4. Se inicia el programa principal, habilitando las funciones del pic. Selecciona los limites con los que se va a trabajar (de 0 a 255), habilita las interrupciones internas y externas, usa flancos de subida y las interrupciones están habilitas para todo el programa. 5. Luego se inicia una rutina que obtiene datos del pc. Mientras la variable no sea igual a 47 (que es un número escogido que se envía desde el matlab), mantendrá esa rutina. 6. Cuando se le envía el número 47 desde el matlab inicia la rutina de ir al punto cero, es decir, se mueve hasta que el swich de final de carrera se cierra y le envía un pulso al recibir este pulso el micro controlador envía un valor al matlab que este reconoce y muestra que la mesa ha sido calibrada. 7. De la misma forma se realiza el conteo de grados. Solamente difiere en que el micro controlador al recibir la orden de moverse recibe también el número de grados a moverse y realiza el conteo, una vez terminado este conteo envía un valor al matlab que le indica que ya ha recorrido el número de grados solicitado 69 4.3.2 Programación en matlab La segunda parte del desarrollo de software denominada de toma y análisis de datos es la encargada de tomar la señal de audio externa transformarla a decibeles y almacenarla para su posterior análisis y graficación. Sin embargo para asegurar que las mediciones son correctas se debe hacer una calibración del sistema tanto mecánico como el de captura de señal. Con este fin se desarrollado un programa en matlab que posee dos partes la primera es la de calibración del sistema y la segunda la de toma y análisis de datos. 4.3.2.1 Calibración de la mesa (sistema mecánico): A continuación se enumera la secuencia que sigue el programa desarrollado en matlab para la parte de calibración de la parte mecánica 1. Definición de las variables aplicadas a la comunicación serial y los parámetros asociados a ellas como: puerto com, velocidad de trasmisión de datos, baudios, bits de datos, bit de parada, etc. 2. Una vez establecidos los parámetros de la comunicación, se procede a abrir el puerto. 3. Se procede a escribir en el puerto un valor de tipo char previamente programado en el pic, esto con el fin que se ejecute el programa del pic correspondiente a la parte de calibración, luego se espera la respuesta que viene desde el pic una vez cumplido el parámetro asociado al punto cero, en este caso una señal que es enviada por el micro swich de final de carrera. 4. Una vez es enviada la respuesta desde el pic al pc, se entiende que la mesa esta en el punto cero asi que se cierra el puerto y se desactiva el botón de calibrar mesa y aparece en la pantalla calibrado al punto cero 70 4.3.2.2 Calibración de audio Al igual que con el programa anterior a continuación se enumera la secuencia que sigue el programa desarrollado en matlab para la parte de calibración de la parte de audio. 1. Se establecen los parámetros de matlab asociados al audio, Se crea una entrada análoga que se comunique con la entrada análoga del pc, en este caso nuestra tarjeta de sonido, seguidamente se configura la frecuencia de muestreo y la duración, es decir, durante cuánto tiempo va a muestrear. Para esto se cuenta con dos tipos de respuesta, típicas de los medidores de nivel sonoro, rápido y lento (fast y slow), que corresponden a 0.125 ms y a 1 s, respectivamente. En la parte de calibración la el tipo de respuesta que viene por defecto es lenta. 2. Una vez definidos estos parámetros se da la orden de iniciar la obtención de datos de audio. El sonido que ingresa a la tarjeta de audio es ingresado al programa mediante el tolbox de matlab utilizando su función de adquisición de datos. 3. Al adquirir la señal se estima el nivel del valor de voltajes en decibeles por medio de una serie de operaciones matemáticas tales como: el cálculo de la magnitud de una transformada rápida de Fourier, esto con el fin de determinar los componentes frecuenciales de los datos adquiridos y reducir efectivamente el overhead computacional sin necesidad de utilizar filtros para el muestreo. Seguidamente se le suma un offset a los datos para evitar que se tome el logaritmo de cero y se establece una ecuación para que lo muestreado conserve las frecuencias según la teoría de Nyquist. 71 4. Seguidamente se aplica un filtro de ponderación A bajo la siguiente ecuación: 5. Aplicado el filtro de ponderación A se halla la matriz traspuesta que resulta y esta se multiplica por el valor obtenido del offset 6. Finalmente se estima el valor en dBA de los datos adquiridos mediante una relación de parseval y se aplica la ecuación de estimación de db. 7. Si el nivel supera los 94 dba se activa el aceptar y se procede a la siguiente parte, sino se activa un botón de intentar de nuevo. Para realizar una correcta calibracion de audio se hace necesario utilizar un pistofono pues este nos asegura que el nivel sera de 94db en 1k, el usuario debe asegurarse que el nivel de entrada sea lo mas cercano posible a los 94 db aproximadamente modificando los niveles de ganancia de la tarjeta de audio, una vez realizada la correcta calibracion del sistema si el usuario desea que la fuente tenga más nivel, debe modificar el control de salida de la fuente y no el de ganancia del microfono. 72 Figura 49. Interfaz grafica de calibración del sistema Cabe aclarar que durante las mediciones el usuario debe garantisar el sonido continuo del ruido rosa. 4.3.2.3 Segunda parte: Toma y análisis de datos. La parte de toma y análisis de datos, se compone de una GUI desarrollada igualmente en matlab donde el usuario define los parámetros para el desarrollo de las mediciones. Dichos parámetros son: el número de grados a medir (360 grados por defecto), la resolución con una mínima de 1 y una máxima de 15 el tipo de respuesta del sistema, slow o fast, con una respuesta da 1.25 seg y 1 segundo respectivamente luego un botón de inicio luego de cada medición aparece la grafica correspondiente en diagrama polar y se activa un botón de graficas donde aparecen dos ventanas diferentes de la graficas en polar y en escala logarítmica con el fin de que el usuario tenga la opción de guardar las graficas. 73 Figura 50. Interfaz grafica de realización de la medición 74 5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Al finalizar el desarrollo de este proyecto el resultado obtenido es un sistema mecánico manejado por computadora a través de una interfaz de comunicación serial cuya función es permitir la medición del patrón polar de altavoces con una resolución de hasta 1 grado, con soporte para cabinas de gran tamaño. Figura 51. Sistema mecánico. Figura 52. Sistema de movimiento del motor. 75 Figura 53. Rodamientos De soporte. Figura 54. Sistema de conteo de grados por optoacoplador de herradura. Para corroborar el buen funcionamiento de la mesa se llevo a cabo una serie de mediciones a una cabian EON 500. Las mediciones se realizaron en la parte trasera del edificio Guillermo de Okham, mediante los métodos tradicional y el desarrollado en este proyecto. 76 5.1 Medición Por El Método Tradicional - Instrumental utilizado en el método tradicional: • Sonómetro Savantek con wind-screen. • Altavoz EON JBL autopotenciado. • Cable de línea con jack de ¼ y terminal tipo XLR. • Computadora portátil. • Software que resproduzca un ruido rosa. • Software del sonómetro. • Trípode soporte del altavoz. • Base para el sonómetro. • Metro • Transportador. • Palillos. 5.1.1 Montaje Antes de tomar cualquier tipo de medida, se debe asegurar el perfecto funcionamiento de los equipos y rectificar las conexiones. (Ver diagrama de conexiones). Para realizar las mediciones fue necesario tener en cuenta que la computadora produjera correctamente el ruido rosa. Así mismo es necesario tener en cuenta que las mediciones se realizaron al aire libre donde la temperatura era de aproximadamente 17ºC (290ºK) por tanto la base donde se poso el trípode era el césped. Luego se procedió a realizar las marcas para cada uno de los ángulos con los cuales se iban a trabajar, es decir, de 10º partiendo desde el cono del altavoz a 1m de distancia del mismo, por lo tanto para un círculo de 360º corresponden a 36 puntos al igual que mediciones. A continuación se enuncia toda la información respecto a las condiciones en las cuales se encontraba el sonómetro para realizar las mediciones: 77 Header information: Integration time def. ....... 5 s -------------------------------------------- Repetition cycle ............ 1 Device type ................. SVAN 943A Octave 1/1 lines ............ 10+3 Octave 1/1 filter ........... Lin Serial No. .................. 5193 Octave 1/1 in buffer ........ ON Internal software version ... 5.11 Number of histograms ........ 3+13 File system version ......... 5.11 Calibration type ............ Sensitivity -------------------------------------------Original file name .......... 000 Calibration time ............ 11:46'28 Measurement hour ............ 12:43'12 Calibration date ............ 06/05/25 Measurement day ............. 06/05/25 Rotation measurement ........ OFF Device function ............. OCTAVE 1/1 ------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------- Profile: Title text: #1 #2 #3 ------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------Input ....................... Microphone Weighting filter ............ Lin A C Mic. polarization ........... 0 V Detector type ............... Slow Slow Slow Measurement range ........... 130 dB Buffer contents definition .. RMS RMS RMS Leq integration ............. Linear Trig. mode .................. Off Calibration factor .......... 0 dB 0 dB 0 dB Start delay ................. 1 s 78 5.1.2 DIAGRAMA DE CONEXIONES Figura 55. Diagrama de conexiones del método tradicional. Una vez realizadas las conexiones respectivas se procedió a experimentar y a tomar datos los respectivos datos, pero en primer lugar se tomaron los datos del ruido ambiente para que así se reproduzca un ruido rosa que este 40dB por encima del ruido de fondo el cual tenía las siguientes características: f[Hz] Lev[dB] f[Hz] Lev[dB] Lev[dB] 31,5 52,9 1000,0 49,1 TOT_A 53,5 63,0 51,8 2000,0 42,5 TOT_C 61,8 125,0 55,8 4000,0 36,8 250,0 57,9 8000,0 33,0 500,0 56,2 16000,0 34,2 TOT_Lin 63,1 Tabla 2. Resultados de las mediciones de ruido de fondo, realizadas con el sonómetro. 79 En donde se puede observar que hay una mayor atenuación en las frecuencias bajas. Luego se procedió a tomar la primera medición correspondiente a 0º teniendo como referencia el cono del altavoz, después se hicieron las realizaron las respectivas mediciones en cada una de las marcas hasta finalizar en el mismo punto de partida. Cada una de las mediciones fue grabada en el mismo sonómetro para cada una de las mediciones para luego ser descargada toda la información en un PC, en el cual fue posible extraer la información. Por último cabe aclarar que las mediciones fueron hechas en un campo abierto y todas las medidas fueron hechas con la misma potencia producida por la computadora portátil. 5.1.3 Resultados De las mediciones realizadas con sonómetro cada 10 grados según el método tradicional se obtuvieron los siguientes resultados ANGULO dBA 120º 95,3 250 96,8 0º 112,6 130 94,6 260 96,6 10 112,2 140º 94 270º 98,7 20 111,7 150º 93,3 280 101,2 30º 108,9 160 93,8 290 102,6 40 107,6 170 94,7 300º 104,3 50 106,9 180º 95,4 310 107,3 60º 104,4 190 96,2 320 109,2 70 102,4 200 96,9 330º 110,2 80 101,8 210º 97,4 340 110,9 90º 99 220 97,4 350 111,5 100 97,4 230 97,2 360º 112 110 96,3 240º 97 Tabla 3. Resultados de la medición del patrón polar por medio del método tradicional. 80 SPL DBA 330º 320º 350º117 340º 0º 10º 20º 30º 40º 112 310º 50º 107 300º 60º 102 290º 70º 280º 97 80º 270º 92 90º 260º SPL DBA 100º 250º 110º 240º 120º 230º 220º 210º 130º 200º 190º 170º 180º 160º 140º 150º Figura 56. Diagrama polar resultante de las mediciones por el método tradicional. Modificando la escala en Excel de un valor mínimo de 92 y uno máximo de 117 se logra apreciar la aproximación al patrón cardiode de la cabina EON500 de jbl. 5.2 Mediciones utilizando la mesa giratoria automática Para el desarrollo de las mediciones con la mesa giratoria automática se utilizó el siguiente instrumental: • Micrófono beringer ECM8000 . • Altavoz EON JBL autopotenciado. • Cable de línea con jack de ¼ y terminal tipo XLR. • Cables Para micrófono. • Computadora portátil. • Interfaz de audio Maudio Fast Track Pro 81 • Pistófono. • Mesa giratoria • Software desarrollado en matlab para las mediciones de patrón polar. • Interfaz de comunicación entre la mesa giratoria y el software. • Base para el micrófono. • Metro • Ruido rosa en loop. 5.2.1 Montaje El montaje se realizo en la parte trasera del edificio Guillermo de Ockhman al aire libre, se utilizo una mesa convencional para colocar el sistema mecánico a una altura de 1,20 metros, el micrófono se ubico a 1 metro del centro de la fuente. 5.2.2 Diagrama de conexiones: Figura 57. Diagrama de conexiones por el método de sistema de mesa giratoria automática. 82 Luego de realizar las conexiones necesarias se procede a la calibración del sistema tanto mecánico como de audio. Figura 58. Montaje del sistema. El sistema mecánico se calibra como se ha mencionado anteriormente, por otro lado el sistema de audio se calibra con el uso del pistófono, con un valor resultante de 94.253 db. Con este valor de calibración procede a realizar las mediciones Figura 59. Método de calibración por medio del pistófono. 83 se Figura 60. Resultado en la calibración del sistema para realización de las mediciones. Figura 61. Montaje dispuesto para la realización de las mediciones. 84 5.2.3 Resultados Las mediciones se realizaron cada 10 grados con 3 mediciones por punto y una respuesta slow. Según las mediciones realizadas en con el método propuesto en este proyecto se obtienen los siguientes resultados: Figura 62. Resultado en la interfaz gráfica luego de realizar las mediciones cada 10 grados. Esta es la tabla de los datos obtenidos con el sistema de mesa giratoria automática: Angulo dBA 80º 82,376 170º 76,4388 0º 86,9354 90º 81,5833 180º 76,0535 10º 86,633 100º 80,761 190º 76,4144 20º 86,2953 110º 79,9775 200º 77,1109 30º 85,7893 120º 79,2169 210º 77,1348 40º 85,2345 130º 78,5177 220º 77,8852 50º 84,5552 140º 77,887 230º 78,6119 60º 83,866 150º 77,3325 240º 79,3416 70º 83,1288 160º 76,8569 250º 80,0796 85 260º 81,8242 300º 84,0592 340º 86,2007 270º 82,5909 310º 84,9326 350º 86,6755 280º 82,7823 320º 85,223 360º 86,9784 290º 83,2064 330º 85,7494 Tabla 4. Resultados de la medición del patrón polar por medio del método de mesa giratoria automática Cuya gráfica resultante en matlab es: Figura 63. Grafica polar resultante de las mediciones realizadas cada 10 grados En la anterior gráfica se aprecia un patrón tipo omnidireccional puesto que la variación entre el punto máximo y mínimo es de +/- 10dB y la escala no permite apreciar el patrón cardioide; sin embargo al cargar los datos en Excel y modificando la escala de un mínimo de 75 y un máximo de 86 resulta la siguiente grafica. 86 SPL dBA 350º87 340º 330º 85 320º 310º 83 300º 290º 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 81 70º 79 280º 77 80º 270º 75 90º 260º SPL dBA 100º 250º 110º 240º 230º 220º 210º 200º 190º 120º 180º 130º 140º 150º 160º 170º Figura 64. Grafica polar resultante de las mediciones por el método de mesa giratoria automática disminuyendo la escala. Comparando la grafica de los métodos tradicional y el desarrollado con el sistema de medición automática se nota una mejora en el resultado obtenido por los dos métodos, con lo cual se corrobora que la mesa si funciona y mejora notablemente la gráfica del patrón polar. 5.3 Mediciones Cada Grado Del mismo modo, es decir, con el mismo montaje y el mismo nivel de calibración se realizó las mediciones cada grado cuyos resultados obtenidos son los siguientes. 87 Figura 65. Interfaz principal en mediciones de resolución 1º Al igual que con la grafica anterior la escala no permite ver claramente el patrón polar correcto por este motivo se copian los datos al Excel y mediante la reducción de escala se obtiene la siguiente grafica: Figura 66. Grafica de matlab resultante de las mediciones con resolución 1º 88 Spl dBA 341 337 333 329 325 321 317 313 309 305 301 297 293 353 357 90.000 345 349 1 5 9 13 17 85.000 281 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 80.000 75.000 73 289 285 21 77 70.000 81 85 277 273 89 65.000 269 93 Spl dBA 97 265 101 261 105 257 109 253 249 245 241 237 233 229 225 221 217 213 209 205 201 197 193 189 185 181 177 173 169 165 113 117 121 125 129 133 137 141 145 149 153 157 161 Figura 67. Grafica patrón polar en Excel con los datos obtenidos en la medición de 1º La escala se redujo con un valor mínimo de 72 y un máximo de 88. Como resultado de la gran cantidad de datos adquiridos la gráfica se puede observar de manera mucho más clara y el patrón cardioide se hace realmente visible. 5.4 Consideraciones El sistema de la mesa giratoria automática satisface las expectativas del proyecto según la hipótesis planteada, sin embargo no hay que dejar a un lado los errores sistemáticos que surgen durante este tipo de mediciones bien sean producidos por los instrumentos o por las personas que se encuentran realizando las mediciones. El sistema de medición de la mesa giratoria automática necesita la presencia del usuario durante las mediciones pues es necesario estar moviendo los cables de audio y corriente de la cabina, con el fin que no se enreden o interfieran en el sistema, esto logra afectar la medición pues se produce una absorción por parte del usuario lo que no permite que en ese 89 lapso de tiempo la medición sea cien por ciento confiable, por otro lado la calidad de los equipos de medición así como los cables y conectores afectan la medición pues es posible que introduzcan ruido al sistema. El matlab tiene el inconveniente de no permitir adecuar la escala del diagrama polar manualmente, sino que lo hace el mismo de forma automática por eso es necesario trasladar los datos al Excel con el fin de modificar la escala y observar con claridad el patrón polar medido. Por último el ambiente de medición no es el ideal, como lo sería en una cámara anecóica, y diferentes ruidos del ambiente ya sean constantes o impulsivos logran afectar en cierta medida el resultado final de las mediciones. 90 6. CONCLUSIONES Los altavoces son la parte más importante en la cadena de reproducción del sonido, para seleccionarlos es necesario tener en cuenta muchos parámetros asociados a estos, entre ellos uno de los más importantes es su directividad, información que no siempre es suministrada por los fabricantes; con el uso de la mesa giratoria automática el usuario interesado en conocer dicho patrón de directividad ve facilitada su labor, puesto que el sistema puede considerarse automático, donde la intervención del usuario es mínima. En una primera evaluación, se ha comprobado y validado el uso de la mesa giratoria automática como alternativa a las mediciones tradicionales del patrón polar de altavoces, reduciendo en gran medida los errores que se producen en este tipo de mediciones cuando estas se desarrollan por dicho método. El sistema cumple a cabalidad con las expectativas propuestas al inicio de este proyecto, posee los parámetros ajustables asociados a recorrido, resolución número de mediciones, almacenamiento y gráfica polar, además que llega a soportar hasta 50kg y tiene una resolución mínima de un grado. Aunque el sistema mejora notablemente las mediciones de directividad comparándolas con el sistema tradicional, se debe tener en cuenta que los factores externos, como el ambiente de medición y el ruido de fondo, entre otros, que muchas veces son ajenos al usuario, afectan de alguna manera el resultado de estas mediciones. Por otro lado las falencias que posee el sistema no se deben ocultar ni pasarlas por alto. El peso del sistema mecánico es una de ellas, puesto que el sistema pesa en conjunto 30 kg aproximadamente y se hace dificultoso su desplazamiento, no obstante lo que parece ser una 91 desventaja puede ser a la vez una fortaleza ya que al ser tan robusto es difícil que se dañe o sufra averías a causa de caídas o golpes. El tiempo de giro total al medir con una resolución de un grado llega a ser bastante extenso con un tiempo aproximado de 2 horas realizando una sola medición en cada punto, es decir que puede extenderse bastante si se realizan más mediciones en cada punto. La interdisciplinariedad en el desarrollo de este sistema revela la capacidad y necesidad que tiene el ingeniero de sonido de reunir e implementar aplicaciones de distintas áreas de la ciencia como lo son la mecánica, la electrónica y la programación, complementándose de la mejor manera en el desarrollo de su vida profesional. 92 7. RECOMENDACIONES El sistema de medición de la mesa giratoria automática puede llegar a ser considerado como un prototipo, pues no llega a compararse con los desarrollados por empresas como Brüel & Kjaer, outline o incluso DAS. Sin embargo es un campo que tiene grandes posibilidades de exploración e investigación. Se recomienda el desarrollo y la aplicación de filtros de octava y tercio de octava en el programa de toma y análisis de datos con el fin de hacer este programa más completo y que automáticamente pueda calcular muchos más parámetros como lo son el índice de directividad, el factor Q de la fuente y la potencia entre otros. Se recomienda el diseño de un dispositivo que evite el estar moviendo los cables de audio y corriente de la cabina y así disminuir los posibles errores de medición causados por la persona que realiza esta acción. 93 8. BIBLIOGRAFÍA Beranek Leo, Acústica, Tercera edición, 975 Memorial Drive Suite 804 Cambridge, MA 02138. Borwick John, Loudspeaker and Headphone Handbook, Focal Press. Eargle John, Manual de Referencia para el Diseño de Sistemas de Sonido de JBL. F. EVERETS, Alton, Master Hand Book Of Acoustics, McGraw-Hill GARCÍA DE JALÓN Javier, José Ignacio Rodríguez, Jesús Vidal Aprenda Matlab 7.0 como si estuviera en primero, Escuela Técnica Superiorde Ingenieros Industriales. LAWRENCE E. KINSLER, Austin R. Frey y ALAN B. COPPENS, James V. Sanders. Fundamentos de acústica, México, Editorial Limusa, 1988. RECUERO LÓPEZ, Manuel. Acústica, Ec. Universitaria Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones. Madrid 1983. www.matpic.com 94 www.mathworks.com http://proyectoselectronics.blogspot.com/2008/09/optoacoplador-que-es-ycomo-funcionan.html 95 ANEXOS ANEXO A Características Del Pic 16F877A CARACTERÍSTICAS 16F877 Frecuencia máxima DX-20MHz Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB Posiciones RAM de datos 368 Posiciones EEPROM de datos 256 Puertos E/S A,B,C,D,E Número de pines 40 Interrupciones 14 Timers 3 Módulos CCP 2 Comunicaciones Serie MSSP, USART Comunicaciones paralelo PSP Líneas de entrada de CAD de 10 bits Juego de instrucciones 8 35 Instrucciones Longitud de la instrucción 14 bits Arquitectura Harvard CPU Risc Canales Pwm 2 Pila Harware - Ejecución En 1 Ciclo Máquina - 96 ANEXO B Descripción de los pines del microcontrolador PIC 16F877A TIPO DE NOMBRE DEL PIN PI N TIPO OSC1/CLKIN 13 I ST/MO S Entrada del oscilador de cristal / Entrada de señal de reloj externa OSC2/CLKOUT 14 O - Salida del oscilador de cristal MCLR/Vpp/THV 1 I/P ST Entrada del Master clear (Reset) o entrada de voltaje de programación o modo de control high voltaje test RA0/AN0 2 I/O TTL RA1/AN1 3 I/O TTL RA2/AN2/ Vref- 4 I/O TTL RA3/AN3/Vref+ 5 I/O TTL RA4/T0CKI 6 DESCRIPCIÓN BUFFE R I/O PORTA es un puerto I/O bidireccional RAO: puede ser salida analógica 0 RA1: puede ser salida analógica 1 RA2: puede ser salida analógica 2 o referencia negativa de voltaje RA3: puede ser salida analógica 3 o referencia positiva de voltaje ST RA4: puede ser entrada de reloj el timer0. RA5/SS/AN4 7 I/O TTL RA5: puede ser salida analógica 4 o el esclavo seleccionado por el puerto serial síncrono. PORTB es un puerto I/O bidireccional. Puede ser programado todo como entradas RB0 pude ser pin de interrupción externo. 97 RBO/INT 33 I/O TTL/ST RB1 34 I/O TTL RB2 35 I/O TTL RB3/PGM 36 I/O TTL RB3: puede ser la entada de programación de bajo voltaje Pin de interrupción Pin de interrupción Pin de interrupción. Reloj de programación serial RB4 37 I/O TTL RB5 38 I/O TTL RB6/PGC 39 I/O TTL/ST RB7/PGD 40 I/O TTL/ST RCO/T1OSO/T1 CKI RC1/T1OS1/CC P2 15 16 I/O I/O PORTC es un puerto I/O bidireccional ST RCO puede ser la salida del oscilador timer1 o la entrada de reloj del timer1 ST RC1 puede ser la entrada del oscilador timer1 o salida PMW 2 RC2/CCP1 17 I/O ST RC3/SCK/SCL 18 I/O ST RC4/SD1/SDA 23 RC2 puede ser una entrada de captura y comparación o salida PWN RC3 puede ser la entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C I/O ST RC4 puede ser la entrada de datos SPI y modo I2C RC5 puede ser la salida de datos SPI RC5/SD0 24 I/O ST RC6/Tx/CK 25 I/O ST RC6 puede ser el transmisor asíncrono USART o el reloj síncrono. RC7 puede ser el receptor 98 RC7/RX/DT 26 I/O ST asíncrono USART o datos síncronos PORTD es un puerto bidireccional paralelo RD0/PSP0 19 I/O ST/TTL RD1/PSP1 20 ST/TTL RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O RD5/PSP5 28 ST/TTL RD6/PSP6 29 ST/TTL RD7/PSP7 30 ST/TTL REO/RD/AN5 8 I/O ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL PORTE es un puerto I/O bidireccional REO: puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o entrada analógica 5 RE1/WR/AN 9 I/O ST/TTL RE1: puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6 RE2: puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica 7. RE2/CS/AN7 10 I/O ST/TTL Vss 12. 31 P - Referencia de tierra para los pines lógicos y de I/O Vdd 11. 32 P - Fuente positiva para los pines lógicos y de I/O NC - - - No está conectado internamente 99 ANEXO C Código de programación del microcontrolador PIC16f877a #include <16F877a.h> //#fuses xt,NOWDT,NOLVP,PUT #use delay(clock=4000000) #use rs232(baud=2400, xmit=PIN_c6, rcv=PIN_c7, STREAM=1) #define pc 1 int dato,cont; #int_ext void interrupcion() { cont=cont+1; } void main( void ) { set_tris_a(0); set_tris_b(255); enable_interrupts(INT_EXT); ext_int_edge( L_TO_H ); enable_interrupts(GLOBAL); while(true) { no: dato=fgetc(pc); if (dato>50) { goto no; 100 } else if(dato==47) { goto puntocero; } output_high(PIN_a0); cont=0; while(cont<dato) { } output_low(PIN_a0); fputc(64,pc); dato=0; } puntocero: while (input(PIN_b7)==0) { output_high(PIN_a0); } output_low(PIN_a0); fputc(64,pc); goto no; } 101 ANEXO D Código de programación de la interfaz grafica de usuario desarrollada en matlab para la etapa de calibración. function varargout = Calibracion_Del_Sistema(varargin) % CALIBRACION_DEL_SISTEMA M-file for Calibracion_Del_Sistema.fig % CALIBRACION_DEL_SISTEMA, by itself, creates a new CALIBRACION_DEL_SISTEMA or raises the existing % singleton*. % % H = CALIBRACION_DEL_SISTEMA returns the handle to a new CALIBRACION_DEL_SISTEMA or the handle to % the existing singleton*. %% CALIBRACION_DEL_SISTEMA('CALLBACK',hObject,eventData,ha ndles,...) calls the local % function named CALLBACK in CALIBRACION_DEL_SISTEMA.M with the given input arguments. % % CALIBRACION_DEL_SISTEMA('Property','Value',...) creates a new CALIBRACION_DEL_SISTEMA or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before Calibracion_Del_Sistema_OpeningFunction gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to Calibracion_Del_Sistema_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help Calibracion_Del_Sistema % Last Modified by GUIDE v2.5 28-Oct-2008 04:25:05 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 102 'gui_OpeningFcn', @Calibracion_Del_Sistema_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @Calibracion_Del_Sistema_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- Executes just before Calibracion_Del_Sistema is made visible. function Calibracion_Del_Sistema_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) movegui(hObject,'center')%CENTRAR LA GUI set(handles.Audio,'Enable','on'); set(handles.Nuevo,'Enable','off'); set(handles.Listo,'Enable','on'); %Abrir puerto serie___ guidata(hObject, handles); handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes Calibracion_Del_Sistema wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = Calibracion_Del_Sistema_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure 103 % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % --- Executes on button press in Mesa. function Mesa_Callback(hObject, eventdata, handles) SerPIC = serial('COM4'); set(SerPIC,'BaudRate',2400); set(SerPIC,'DataBits',8); set(SerPIC,'Parity','none'); set(SerPIC,'StopBits',1); set(SerPIC,'FlowControl','none'); fopen(SerPIC); PC=47; pc=char(PC); fclose(SerPIC); fopen(SerPIC); fprintf(SerPIC,'%c',pc);%Envía en código ASCII a=0; while a==0 a=fscanf(SerPIC); a=get(SerPIC,'ValuesReceived'); end fclose(SerPIC) clear SerPIC set(handles.Audio,'Enable','on'); pause(0.1) set(handles.Mesa,'Enable','off'); pause(0.1) set(handles.Mesa,'string','CALIBRADO AL PUNTO CERO'); % --- Executes on button press in Audio. function Audio_Callback(hObject, eventdata, handles) for n=1:1:2 handles.AI = analoginput('winsound');% sirve para obtener datos de la tarjeta de sonido channel = addchannel(handles.AI,1); handles.Fs=44100; handles.responseType = 'slow'; % Set tasa de muestreo. set(handles.AI,'SampleRate',handles.Fs); Fs = get(handles.AI,'SampleRate'); if strcmp(handles.responseType,'slow') 104 duration = 1.0; else duration = 0.125; end N = ceil(duration*handles.Fs); N = 2^nextpow2(N); % Set samples por trigger. set(handles.AI,'SamplesPerTrigger',N); N = get(handles.AI,'SamplesPerTrigger'); % Set opciones de adquisicion de Datos. set(handles.AI,'TriggerType','Manual'); set(handles.AI,'TriggerRepeat',1); set(handles.AI,'TimerPeriod',duration/4); set(handles.Audio,'Enable','off'); pause(0.1) set(handles.Audio,'string','CALIBRANDO'); Fs=handles.Fs; b=[]; % soundsc(R,Fs); % Comienza la adquisicion. start(handles.AI); trigger(handles.AI); tic x = getdata(handles.AI); toc X = abs(fft(x)); % Suma un offset para evitar que tome el log de cero. X(find(X == 0)) = 1e-17; % Conserve frecuencias debajo de la tasa de Nyquist. f = (Fs/length(X))*[0:(length(X)-1)]; ind = find(f<Fs/2); f = f(ind); X = X(ind); % Note: A quite location will be ~55 dBA. C = 72; % Estima el valor dBSPL usando la ecuacion de Parseval. A = Filtro_A(f); X = A'.*X; EnergiaTotal = sum(X.^2)/length(X); meanEnergia = EnergiaTotal/((1/Fs)*length(x)); dBA= 10*log10(meanEnergia)+C; stop(handles.AI); delete(handles.AI) clear handles.AI b=[b dBA]; end m2 = mean(b); 105 %M=(m2-m1); M=94.253, set(handles.Audio,'Enable','on'); %HABILITAR EL BOTÓN if M>=94 warndlg('Excelente') set(handles.dB,'string',[num2str(M) 'dB']); set(handles.Listo,'Enable','on'); pause(0.1) else errordlg('error'); set(handles.dB,'string',M); set(handles.Audio,'string','Intentar De Nuevo'); set(handles.Listo,'Enable','off'); pause(0.1) set(handles.Audio,'Enable','off'); pause(0.1) set(handles.Nuevo,'Enable','on'); pause(0.1) return end % --- Executes on button press in Listo. function Listo_Callback(hObject, eventdata, handles) Tesis_FINAL close % hObject handle to Listo (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % --- Executes on button press in Nuevo. function Nuevo_Callback(hObject, eventdata, handles) %IN=digitalio('parallel','LPT1'); % dato2=addline(IN,8:12,'in'); % dato3=getvalue(dato2) % dato4=16*dato3(1)+8*dato3(2)+4*dato3(3)+2*dato3(4)+1*~d ato3(5) % if dato4==29 set(handles.Audio,'Enable','on'); pause(0.1) set(handles.Audio,'string','Calibrar Audio'); %else set(handles.Audio,'Enable','on'); pause(0.1) set(handles.Audio,'string','Calibrar Audio'); set(handles.Mesa,'Enable','on'); pause(0.1) % end % hObject handle to Nuevo (see GCBO) 106 % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) 107 ANEXO E Código de programación de la interfaz grafica de usuario desarrollada en matlab para la etapa toma y análisis de datos. function varargout = Tesis_FINAL(varargin) % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @Tesis_FINAL_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @Tesis_FINAL_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- CONDICIONES INICIALES DE LA GUI. function Tesis_FINAL_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % LOS DATOS QUE SE MUESTRAN A CONTINUACIÓN SON LOS DATOS POR DEFECTO DE LA % GUI. ESTOS VARIARÁN UNA VEZ QUE EL USUARIO INGRESE OTROS DATOS movegui(hObject,'center')%CENTRAR LA GUI handles.respuesta='slow';%CONDICIONE INICIAL (CI) PARA EL TIPO DE RESPUESTA handles.NUM_MED=12;%CI PARA EL NÚMERO DE MEDICIONES handles.RESO=12;%CI PARA LA RESOLUCIÓN handles.grados=360;%CI PARA EL NÚMERO DE GRADOS %---------------------------------------------------RHO=100; THETA=linspace(0,2*pi,length(RHO)); polar(THETA,RHO); set(handles.inicio,'Enable','off'); set(handles.Resolucion,'Enable','off'); set(handles.MPP,'Enable','off'); set(handles.GraficaP,'Enable','off'); set(handles.GraficaL,'Enable','off'); %-----------------------------------------------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 108 %--------%______________________________% %FIN DE CONDIONES INICIALES handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = Tesis_FINAL_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; %-----------------------------------------------------------------------%SELECCIONAR EL PUERTO COM % --- Executes on selection change in puerto. function puerto_Callback(hObject, eventdata, handles) Puerto = get(hObject,'String');%OBTENER TODO EL STRING DEL POP-UP MENU com= Puerto{get(hObject,'Value')}; com=str2double(com); handles.puerto=com;%EXPORTAR LA VARIABLE A OTRA FUNCIÓN guidata(hObject,handles);%ACTUALIZA DATOS % --- Executes during object creation, after setting all properties. function puerto_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to puerto (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: popupmenu controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end %------------------------------------------------------------------------%------------------------------------% --- SELECTOR DEL NÚMERO DE GRADOS. function Grados_Callback(hObject, eventdata, handles) GR = get(hObject,'String');%OBTENER TODO EL STRING DEL POP-UP MENU GR= GR{get(hObject,'Value')}; %OBTENER SOLO EL STRING SELECCIONADO % GR=get(handles.Grados,'value') 109 grados=str2double(GR); handles.grados=grados;%EXPORTAR LA VARIABLE A OTRA FUNCIÓN guidata(hObject,handles);%ACTUALIZA DATOS set(handles.Resolucion,'Enable','on'); % -----------------------------------------------------------------------% --- BOTON DE RESOLUCION % --- Executes on button press in Resolucion. function Resolucion_Callback(hObject, eventdata, handles) s=inputdlg('DATO','Resolucion'); Res=cell2mat(s); Rs=str2double(Res);%Transformar a formato double % reso=get(handles.reso,'value'); %Almacenar valor ingresado % Res= str2double(reso); %Transformar a formato double if Rs<1 || Rs>90 ||isnan(Rs)% errordlg('Valor fuera del rango') return end set(handles.RR,'String',Rs) handles.RS=Rs;%EXPORTAR EL DATO A OTRA FUNCIÓN guidata(hObject,handles); %Salvar datos de la aplicación set(handles.MPP,'Enable','on'); %------------------------------------------------------------------------%BOTON DE NUMERO DE MEDICIONES % --- Executes on button press in MPP. function MPP_Callback(hObject, eventdata, handles) Nm=inputdlg('DATO','Numero de Mediciones'); Med=cell2mat(Nm); Med=str2double(Med);%Transformar a formato double % reso=get(handles.reso,'value'); %Almacenar valor ingresado % Res= str2double(reso); %Transformar a formato double if Med<1 || Med>6 ||isnan(Med)% errordlg('Inserte un número entre 1 y 6') return end set(handles.NN,'String',Med) handles.NM=Med;%EXPORTAR DATOS A OTRA FUNCIÓN guidata(hObject,handles); %ESTA LÍNEA SIEMPRE VA CUANDO USAMOS "HANDLES" PARA % EXPORTAR DATOS A OTRAS FUNCIONES. set(handles.inicio,'Enable','on'); % ----------------------------------------------------------------------110 % --- SELECTOR DEL TIPO DE RESPUESTA function uipanel2_SelectionChangeFcn(hObject, eventdata, handles) if hObject==handles.rapido handles.respuesta='fast'; else handles.respuesta='low'; end guidata(hObject,handles)%ESTA LÍNEA SIEMPRE VA CUANDO USAMOS "HANDLES" PARA % EXPORTAR DATOS A OTRAS FUNCIONES. % -----------------------------------------------------------------------% --- BOTON DE INICIO function inicio_Callback(hObject, eventdata, handles) %--------------------------------------------------------------%FUNCIONES PARA EL MOTOR SerPIC = serial('handles.puerto'); set(SerPIC,'BaudRate',2400); set(SerPIC,'DataBits',8); set(SerPIC,'Parity','none'); set(SerPIC,'StopBits',1); set(SerPIC,'FlowControl','none'); fopen(SerPIC); %______________________________________________________ ___ Med=handles.NM; %LLAMAR LOS DATOS DE LAS OTRAS FUNCIONES Rs=handles.RS; %LLAMAR LOS DATOS DE LAS OTRAS FUNCIONES G=handles.grados;%LLAMAR LOS DATOS DE LAS OTRAS FUNCIONES responseType=handles.respuesta;%TIPO DE RESPUESTA NM=Med; %delay=10; %delay2=0.470; clc Fs=44100; bits=16; v=[];y=[];z=[];w=[];c=0; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 111 %%%_----BUSCAR PUNTO CERO----------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%% %-----------------------%PUERTO SERIAL%---------------------------------Pos=0; rs=char(Rs); %fprintf(SerPIC,'%c',char(rs));%Envía en código ASCII %fprintf(SerPIC,'%s','rs');%Envía un string for n=0:Rs:G-Rs fclose(SerPIC); fopen(SerPIC); fprintf(SerPIC,'%c',rs);%Envía en código ASCII a=0; while a==0 a=fscanf(SerPIC); a=get(SerPIC,'ValuesReceived'); end %--------------------------------------------------------------------------------------%___________________SONIDO________________________ for q=1:1:NM; AI = analoginput('winsound');% sirve para obtener datos de la tarjeta de sonido% addchannel(AI,1); %responseType = 'slow'; % Set tasa de muestreo. set(AI,'SampleRate',Fs); Fs = get(AI,'SampleRate'); % Determina el tamaño de la ventana para la FFT. if strcmp(responseType,'slow') duration = 1.0; else duration = 0.125; end N = ceil(duration*Fs); N = 2^nextpow2(N); % Set samples por trigger. set(AI,'SamplesPerTrigger',N); %N = get(AI,'SamplesPerTrigger'); 112 % Set opciones de adquisicion de Datos. set(AI,'TriggerType','Manual'); set(AI,'TriggerRepeat',1); set(AI,'TimerPeriod',duration/4); % Comienza la adquisicion. start(AI); trigger(AI); tic x = getdata(AI); toc % Calcula magnitud de la FFT. X = abs(fft(x)); % Suma un offset para evitar que tome el log de cero. X(find(X == 0)) = 1e-17; % Conserve frecuencias debajo de la tasa de Nyquist. f = (Fs/length(X))*[0:(length(X)-1)]; ind = find(f<Fs/2); f = f(ind); X = X(ind); C = 72; % Aplica filtro para la ponderacion dBA. A = Filtro_A(f); Y = A'.*X; % Estima el valor dBA usando la ecuacion de Parseval. EnergiaTotal = sum(Y.^2)/length(Y); meanEnergia = EnergiaTotal/((1/Fs)*length(x)); dBA = 10*log10(meanEnergia)+C; % Estimacion del nivel en db dB = 20*log10(X); stop(AI); delete(AI) clear AI end Pos=Pos+Rs; v=[v dB]; y=[y dBA]; M1 = mean(v); M2 = mean(y); z=[z, M1]; w=[w, M2]; end fclose(SerPIC); 113 clear SerPIC; % save('x_DATA','x'); save('dB_DATA','v'); save('dBA_DATA','y'); save('M1_DATA','M1'); save('M2_DATA','M2'); save('z_DATA','z'); save('w_DATA','w'); %%%%%%GRAFICA POLAR%%%%%%% r_1=v; RHO_1=r_1; THETA_1=linspace(0,2*pi,length(RHO_1)); r_2=y; RHO_2=r_2; THETA_2=linspace(0,2*pi,length(RHO_2)); hold on polar(THETA_1,RHO_1); polar(THETA_1,RHO_2,'r+:'); hold off %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%% handles.RHO_1 =RHO_1; %EXPORTAR DATOS A OTRAS FUNCIONES handles.THETA_1=THETA_1; %EXPORTAR DATOS A OTRAS FUNCIONES handles.RHO_2 =RHO_2; FUNCIONES handles.THETA_2=THETA_2; FUNCIONES %EXPORTAR DATOS A OTRAS %EXPORTAR DATOS A OTRAS guidata(hObject,handles)%ESTA LÍNEA SIEMPRE VA CUANDO USAMOS "HANDLES" PARA % EXPORTAR DATOS A OTRAS FUNCIONES. set(handles.inicio,'Enable','on'); set(handles.GraficaP,'Enable','on'); set(handles.GraficaL,'Enable','on'); % -----------------------------------------------------------------------% --- GRAFICAP function GraficaP_Callback(hObject, eventdata, handles) 114 RHO_1= handles.RHO_1; %LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN THETA_1 = handles.THETA_1;%LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN RHO_2= handles.RHO_2; %LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN THETA_2 = handles.THETA_2;%LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN axes(handles.Polar) figure; title ('Patron POLAR EN dB'); polar(THETA_1,RHO_1); figure; title ('Patron POLAR EN dBA'); polar(THETA_2,RHO_2); % --- Executes on button press in GraficaL. function GraficaL_Callback(hObject, eventdata, handles) RHO_1= handles.RHO_1; %LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN THETA_1 = handles.THETA_1;%LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN RHO_2= handles.RHO_2; %LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN THETA_2 = handles.THETA_2;%LLAMAR LOS DATOS DE ANTERIOR FUNCIÓN axes(handles.Polar) figure; hold on grid on title ('Dierctividad'); xlabel ('Frecuencia'); ylabel ('dB') semilogx (THETA_1,RHO_1) %title ('Dierctividad'); %xlabel ('Frecuencia'); %ylabel ('dB') semilogx (THETA_2, RHO_2,'r+:') hold off 115 % --- Executes when user attempts to close figure1. function figure1_CloseRequestFcn(hObject, eventdata, handles) opc=questdlg('¿Desea Salir de este SUPER programa?',... 'SALIR','Si','No','No') if strcmp (opc,'No') return; end delete(hObject) 116 ANEXO F Tabla de datos de los valores obtenidos en matlab para la medición de los 360º con resolución de 1º Ángulo 0º 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º 22º 23º 24º 25º 26º 27º 28º 29º 30º 31º 32º 33º 34º 35º 36º 37º 38º 39º 40º 41º 42º 43º Nivel SPL dBA 87,310 87,286 87,278 87,274 87,255 87,252 87,217 87,181 87,147 87,120 87,091 87,064 87,042 87,017 86,990 86,958 86,926 86,894 86,858 86,814 86,776 86,742 86,701 86,664 86,623 86,582 86,540 86,495 86,451 86,406 86,351 86,300 86,244 86,187 86,122 86,060 85,993 85,930 85,866 85,803 85,740 85,672 85,601 85,535 44º 45º 46º 47º 48º 49º 50º 51º 52º 53º 54º 55º 56º 57º 58º 59º 60º 61º 62º 63º 64º 65º 66º 67º 68º 69º 70º 71º 72º 73º 74º 75º 76º 77º 78º 79º 80º 81º 82º 83º 84º 85º 86º 87º 88º 89º 85,465 85,395 85,323 85,251 85,176 85,099 85,020 84,941 84,862 84,782 84,702 84,618 84,534 84,451 84,361 84,272 84,185 84,098 84,012 83,922 83,837 83,749 83,661 83,573 83,485 83,396 83,309 83,219 83,128 83,038 82,946 82,852 82,757 82,662 82,567 82,470 82,372 82,272 82,172 82,073 81,972 81,870 81,767 81,665 81,564 81,462 117 90º 91º 92º 93º 94º 95º 96º 97º 98º 99º 100º 101º 102º 103º 104º 105º 106º 107º 108º 109º 110º 111º 112º 113º 114º 115º 116º 117º 118º 119º 120º 121º 122º 123º 124º 125º 126º 127º 128º 129º 130º 131º 132º 133º 134º 135º 81,361 81,258 81,157 81,055 80,955 80,854 80,754 80,656 80,556 80,455 80,356 80,258 80,159 80,063 79,966 79,870 79,776 79,683 79,588 79,494 79,402 79,310 79,220 79,133 79,047 78,961 78,875 78,792 78,709 78,621 78,539 78,459 78,379 78,302 78,226 78,152 78,078 78,004 77,931 77,860 77,789 77,722 77,654 77,588 77,523 77,460 136º 137º 138º 139º 140º 141º 142º 143º 144º 145º 146º 147º 148º 149º 150º 151º 152º 153º 154º 155º 156º 157º 158º 159º 160º 161º 162º 163º 164º 165º 166º 167º 168º 169º 170º 171º 172º 173º 174º 175º 176º 177º 178º 179º 180º 181º 182º 183º 184º 185º 77,395 77,333 77,273 77,213 77,156 77,097 77,041 76,983 76,927 76,871 76,817 76,764 76,710 76,659 76,607 76,557 76,507 76,457 76,407 76,359 76,312 76,265 76,219 76,173 76,128 76,084 76,039 75,995 75,951 75,908 75,868 75,827 75,786 75,747 75,708 75,669 75,632 75,594 75,557 75,521 75,485 75,449 75,415 75,380 75,346 75,390 75,416 75,452 75,489 75,525 186º 187º 188ºº 189º 190º 191º 192º 193º 194º 195º 196º 197º 198º 199º 200º 201º 202º 203º 204º 205º 206º 207º 208º 209º 210º 211º 212º 213º 214º 215º 216º 217º 218º 219º 220º 221º 222º 223º 224º 225º 226º 227º 228º 229º 230º 231º 232º 233º 234º 235º 75,567 75,599 75,642 75,679 75,718 75,758 75,796 75,831 75,879 75,908 75,961 75,995 76,049 76,084 76,148 76,173 76,229 76,265 76,312 76,369 76,427 76,467 76,527 76,577 76,637 76,679 76,732 76,774 76,837 76,875 76,927 76,995 77,061 77,097 77,176 77,243 77,293 77,353 77,395 77,460 77,543 77,598 77,674 77,742 77,799 77,880 77,931 78,004 78,078 78,172 118 236º 237º 238º 239º 240º 241º 242º 243º 244º 245º 246º 247º 248º 249º 250º 251º 252º 253º 254º 255º 256º 257º 258º 259º 260º 261º 262º 263º 264º 265º 266º 267º 268º 269º 270º 271º 272º 273º 274º 275º 276º 277º 278º 279º 280º 281º 282º 283º 284º 285º 78,246 78,312 78,399 78,469 78,569 78,651 78,759 78,792 78,875 78,961 79,047 79,143 79,220 79,350 79,432 79,494 79,588 79,673 79,776 79,890 79,976 80,063 80,159 80,258 80,356 80,455 80,566 80,676 80,754 80,864 80,985 81,055 81,157 81,278 81,381 81,482 81,584 81,685 81,787 81,890 81,992 82,093 82,172 82,282 82,352 82,490 82,567 82,682 82,777 82,872 286º 287º 288º 289º 290º 291º 292º 293º 294º 295º 296º 297º 298º 299º 300º 301º 302º 303º 304º 305º 306º 307º 308º 309º 310º 82,966 83,058 83,138 83,239 83,329 83,396 83,485 83,593 83,681 83,769 83,857 83,942 84,032 84,098 84,185 84,292 84,381 84,471 84,554 84,638 84,702 84,782 84,882 84,961 85,040 311º 312º 313º 314º 315º 316º 317º 318º 319º 320º 321º 322º 323º 324º 325º 326º 327º 328º 329º 330º 331º 332º 333º 334º 335º 85,099 85,196 85,271 85,323 85,395 85,485 85,555 85,621 85,672 85,770 85,803 85,886 85,930 85,993 86,090 86,122 86,187 86,254 86,320 86,351 86,436 86,451 86,495 86,540 86,582 119 336º 337º 338º 339º 340º 341º 342º 343º 344º 345º 346º 347º 348º 349º 350º 351º 352º 353º 354º 355º 356º 357º 358º 359º 360º 86,623 86,664 86,701 86,742 86,776 86,814 86,858 86,894 86,926 86,958 86,990 87,017 87,042 87,064 87,091 87,120 87,147 87,181 87,217 87,252 87,255 87,374 87,378 87,386 87,390